İskelet Kası Fibroblastlarından Eksozomların İzolasyonu ve Karakterizasyonu
Summary
Bu protokol, 1) yetişkin fare gastroknemius kasından primer fibroblastların izolasyonunu ve kültürünü ve ayrıca 2) sükroz yoğunluk gradyanları ile birlikte diferansiyel bir ultrasantrifüj yöntemi kullanılarak eksozomların saflaştırılmasını ve karakterizasyonunu ve ardından western blot analizlerini göstermektedir.
Abstract
Eksozomlar, hemen hemen tüm hücreler tarafından salınan ve tüm biyolojik sıvılarda salgılanan küçük hücre dışı veziküllerdir. Bu veziküllerin izolasyonu için ultrasantrifüjleme, ultrafiltrasyon ve boyut dışlama kromatografisi dahil olmak üzere birçok yöntem geliştirilmiştir. Bununla birlikte, hepsi büyük ölçekli eksozom saflaştırması ve karakterizasyonu için uygun değildir. Burada özetlenen, yetişkin fare iskelet kaslarından izole edilen primer fibroblast kültürlerinin oluşturulması için bir protokoldür, ardından bu hücrelerin kültür ortamından eksozomların saflaştırılması ve karakterizasyonu yapılır. Yöntem, sıralı santrifüjleme adımlarının ve ardından sakaroz yoğunluk gradyanlarının kullanımına dayanmaktadır. Ekzozomal preparatların saflığı daha sonra bir dizi kanonik belirteç (yani, Alix, CD9 ve CD81) kullanılarak western blot analizleri ile doğrulanır. Protokol, elektron mikroskobu, kütle spektrometrisi ve fonksiyonel çalışmalar için alım deneyleri için biyoaktif eksozomların nasıl izole edileceğini ve konsantre edileceğini açıklar. Kolayca büyütülebilir veya küçültülebilir ve farklı hücre tiplerinden, dokulardan ve biyolojik sıvılardan eksozom izolasyonu için uyarlanabilir.
Introduction
Eksozomlar, boyutları 30-150 nm arasında değişen heterojen hücre dışı veziküllerdir. Doku ve organlardaher yerde dağılımları göz önüne alındığında, fizyolojik ve patolojik süreçlerde kilit oyunculardır 1,2. Eksozomlar, türetildikleri hücrelerin tipine göre değişen karmaşık bir protein, lipit, DNA tipi ve RNA tipi kargosu taşırlar 1,2,3. Eksozomlar, farklı işlevlere sahip proteinlerle zenginleştirilmiştir (yani, CD9 ve CD63 dahil tetraspaninler) füzyon olaylarından sorumludur. Örneğin, ısı şoku proteinleri HSP70 ve HSP90, antijen bağlanması ve sunumunda rol oynar. Ek olarak, Alix, Tsg101 ve flotilin, eksozom biyogenezi ve salınımına katılır ve bu nanoveziküllerin 2,3,4 belirteçleri olarak yaygın olarak kullanılır.
Eksozomlar ayrıca, aşağı akış sinyalinietkiledikleri alıcı hücrelere aktarılabilen çeşitli RNA’lar (yani mikroRNA’lar, uzun kodlamayan RNA’lar, ribozomal RNA’lar) içerir 3. Tek bir birim zarla çevrili olan eksozom biyoaktivitesi, yalnızca proteinlerin ve nükleik asitlerin kargosuna değil, aynı zamanda sınırlayıcı zarın1 lipit bileşenlerine de bağlıdır. Ekzozomal membranlar, fosfatidilserin, fosfatidik asit, kolesterol, sfingomyelin, araşidonik asit ve diğer yağ asitleri açısından zenginleştirilmiştir ve bunların tümü eksozom stabilitesini ve membran topolojisinietkileyebilir 2,3. Kargo ve lipid düzenlemesinin bir sonucu olarak, eksozomlar alıcı hücrelerde sinyal yollarını başlatır ve normal doku fizyolojisininkorunmasına katılır 1,2,4,5. Belirli patolojik koşullar altında (ör., nörodejenerasyon, fibroz ve kanser), patolojik uyaranları tetikledikleri ve yaydıkları gösterilmiştir 4,6,7,8,9,10,11.
Sinyalleri komşu veya uzak bölgelere yayma yetenekleri nedeniyle, eksozomlar, hastalık durumlarının teşhisi veya prognozu için değerli biyobelirteçler haline gelmiştir. Ek olarak, eksozomlar deneysel olarak terapötik bileşiklerin araçları olarak kullanılmıştır 2,12. Bu nanoveziküllerin klinikte potansiyel uygulaması, maksimum verim, saflık ve tekrarlanabilirlik elde etmek için izolasyon yöntemini giderek daha önemli hale getirmektedir. Eksozomların izolasyonu için farklı teknikler geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Genel olarak, eksozomlar, diferansiyel santrifüjleme, boyut dışlama kromatografisi ve bağışıklık yakalama (ticari olarak temin edilebilen kitler kullanılarak) ile şartlandırılmış hücre kültürü ortamından veya vücut sıvılarından izole edilebilir. Her yaklaşımın daha önce tartışılan benzersiz avantajları ve dezavantajları vardır 1,2,13,14.
Ana hatlarıyla belirtilen protokol, 1) yetişkin fare gastroknemius kasından primer fibroblastların izolasyonu ve kültürüne ve 2) bu hücreler tarafından kültür ortamına salınan eksozomların saflaştırılmasına ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Fonksiyonel çalışmalar için eksozomların primer fibroblastlardan izolasyonu için iyi kurulmuş bir protokol şu anda eksiktir. Primer fibroblastlar büyük miktarlarda eksozom salgılamaz, bu da izolasyon ve saflaştırma sürecini zorlaştırır. Bu protokol, morfolojik bütünlüklerini ve fonksiyonel aktivitelerini korurken büyük kültür hacimlerinden büyük miktarlarda saf eksozomların saflaştırılmasını açıklar. Şartlandırılmış ortamdan elde edilen saflaştırılmış eksozomlar, alıcı hücrelerde spesifik sinyal yollarını indüklemek için in vitro alım deneylerinde başarıyla kullanılmıştır. Ayrıca, birden fazla biyolojik örnekten alınan ekzozomal kargoların karşılaştırmalı proteomik analizleri için de kullanılmıştır4.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde belirtildiği gibi, eksozomların kültür ortamından başarılı bir şekilde izole edilmesi için kritik bir adım, yetişkin iskelet kasından birincil fare fibroblast kültürlerinin uygun şekilde kurulması ve sürdürülmesidir. Fizyolojik benzeri koşulları sağlamak için bu kültürlerin düşük oksijen seviyesinde tutulması gerekir (iskelet kasındakiO2 seviyesi ~%2.5’tir)15. Primer fibroblastlar kültürde çok fazla geçtiğinde özellik değiştirecektir….
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alessandra d’Azzo, Genetik ve Gen Terapisinde Çocuklar için Kuyumcular (JFC) Bağış Kürsüsüne sahiptir. Bu çalışma kısmen NIH hibeleri R01GM104981, RO1DK095169 ve CA021764, Memphis Assisi Vakfı ve Amerikan Lübnan Suriye İlişkili Hayır Kurumları tarafından desteklenmiştir.
Materials
| 10 cm dishes | Midwest Scientific, TPP | TP93100 | |
| 15 cm dishes | Midwest Scientific | TP93150 | |
| BCA protein assay kit | Thermo Fisher Scientific, Pierce | 23225 | |
| Bovine serum albumin Fraction V | Roche | 10735094001 | |
| CaCl2 | Sigma | C1016-100G | |
| Centrifuge 5430R with rotors FA-35-6-30/ FA-45-48-11 | Eppendorf | 022620659/5427754008 | |
| Chemidoc MP imaging system | BioRad | 12003154 | |
| Collagenase P | Sigma, Roche | 11 213 857 001 | 100 mg |
| cOmplete protease inhibitor cocktail | Millipore/Sigma, Roche | 11697498001 | |
| Criterion Blotter with plate electrodes | BioRad | 1704070 | |
| Criterion TGX stain-free protein gel | BioRad | 5678034 | 10% 18-well, midi-gel |
| Criterion vertical electrophoresis cell (midi) | BioRad | NC0165100 | |
| Dispase II | Sigma, Roche | 04 942 078 001 | neutral protease, grade II |
| Dithiothreitol | Sigma/Millipore, Roche | 10708984001 | |
| Dulbecco’s Modification Eagles Medium | Corning | 15-013-CV | |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Corning | 21-031-CV | |
| Ethanol 200 proof | Pharmco by Greenfield Global | 111000200 | |
| Falcon 50 mL conical centrifuge tubes | Corning | 352070 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10437-028 | |
| Fluostar Omega multi-mode microplate reader | BMG Labtech | ||
| GlutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 35050-061 | |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Immobilon-P Transfer membranes | Millipore | IPVH00010 | |
| Laemmli sample buffer (4x) | BioRad | 1610747 | |
| Magnesium acetate solution | Sigma | 63052-100ml | |
| Non-fat dry milk | LabScientific | M-0842 | |
| O2/CO2 incubator | Sanyo | MC0-18M | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 15140-122 | 10,000 U/ml |
| Premium microcentrifuge tubes | Fisher Scientific, Midwest Scientific | AVSC1510 | 1.7 mL |
| Protected disposable scalpels | Fisher Scientific, Aspen Surgical Bard-Parker | 372610 | |
| Running buffer | BioRad | 1610732 | |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific, Fisher Chemical | S271-3 | |
| Stericup Quick release-GP sterile vacuum filtration system | Millipore | S2GPU05RE | 500 mL |
| Sterile cell strainer (70 mm) | Fisher Scientific, Fisher brand | 22-363-548 | |
| Sucrose | Fisher Scientific, Fisher Chemical | S5-500 | |
| SuperSignal west Femto | Thermo Fisher Scientific | 34096 | |
| Thin wall Polypropylene tubes | Beckman Coulter | 326823 | |
| Transfer buffer | BioRad | 16110734 | |
| Trichloroacetic Acid | Sigma | 91228-100G | |
| Tris base | BioRad | 1610719 | |
| Triton-X100 solution | Sigma | 93443-100mL | |
| TrypLE Express Enzyme | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 12604-013 | No phenol red |
| Tween-20 | BioRad | #1610781 | |
| Ultra-centrifuge Optima XPM | Beckman Coulter | A99842 | |
| Ultra-clear tube (14×89 mm) | Beckman Coulter | 344059 | |
| Ultra-clear tubes (25×89 mm) | Beckman Coulter | 344058 | |
| Water bath Isotemp 220 | Fisher Scientific | FS220 |
Riferimenti
- Doyle, L. M., Wang, M. Z. Overview of Extracellular Vesicles, Their Origin, Composition, Purpose, and Methods for Exosome Isolation and Analysis. Cells. 8 (7), 727 (2019).
- Gurunanthan, S., Kang, M. H., Jeyaraj, M., Qasim, M., Kim, J. H. Review of the Isolation, Characterization, Biological Function, and Multifarious Therapeutic Approaches of Exosomes. Cells. 8 (4), 307 (2019).
- Zhang, Y., Liu, Y., Liu, H., Tang, W. H. Exosomes: biogenesis, biologic function and clinical potential. Cell & Bioscience. 9 (19), 3070-3085 (2019).
- van de Vlekkert, D., et al. Excessive exosome release is the pathogenic pathway linking a lysosomal deficiency to generalized fibrosis. Science Advances. 5 (7), 3270 (2019).
- Rackov, G., et al. A Vesicle-Mediated Control of Cell Function: The Role of Extracellular Matrix and Microenvironment. Frontiers in Physiology. 9, 651 (2018).
- Howitt, J., Hill, A. F. Exosomes in the pathology of neurodegenerative diseases. Journal of Biological Chemistry. 291 (52), 26589-26597 (2016).
- Jing, H., Tang, S., Lin, S., Liao, M., Chen, H., Zhou, J. The role of extracellular vesicles in renal fibrosis. Cell Death and Disease. 10 (5), 367 (2019).
- Asef, A., Mortaz, E., Jamaati, H., Velayati, A. Immunologic role of extracellular vesicles and exosomes in the pathogenesis of cystic fibrosis. Journal of Respiratory Diseases, Thoracic Surgery, Intensive Care and Tuberculosis. 17 (2), 66-72 (2018).
- Cai, A., Cheng, X., Pan, X., Li, J. Emerging role of exosomes in liver physiology and pathology. Hepatology Research. 47 (2), 194-203 (2017).
- Machado, E., et al. Regulated lysosomal exocytosis mediates cancer progression. Science Advances. 1 (11), 1500603 (2015).
- Tian, W., Liu, S., Li, B. Potential role of exosomes in cancer metastasis. Biomed Research International. , 4649705 (2019).
- Barile, L., Vassalli, G. Exosomes: Therapy delivery tools and biomarkers of disease. Pharmacology and Therapeutics. 174, 63-78 (2017).
- Patel, G. K., et al. Comparative analysis of exosome isolation methods using culture supernatant for optimum yield, purity and downstream applications. Science Reports. 9 (1), 5335 (2019).
- Ayala-Mar, S., Donoso-Quezada, J., Gallo-Villanueva, R. C., Perez-Gonzalez, V. H., González-Valdez, J. Recent advances and challenges in the recovery and purification of cellular exosomes. Electrophoresis. 40 (23-24), 3036-3049 (2019).
- Boutagy, N. E., et al. Isolation of Mitochondria from Minimal Quantities of Mouse Skeletal Muscle for High Throughput Microplate Respiratory Measurements. Journal of Visualized Experiments. (105), e53217 (2015).
- . Muscle Dissection in mouse Available from: https://www.youtube.com/watch?v=Wh0gXfrHaH8 (2016)
- Mas-Bargues, C., et al. Relevance of oxygen concentration in stem cell culture for regenerative medicine. International Journal of Molecular Sciences. 20 (5), 1195 (2019).
- Bois, P. R., Grosveld, G. FKHR (FOX01a) is required for myotube fusion of primary mouse myoblasts. The EMBO Journal. 22 (5), 1147-1157 (2003).
- Machida, S., Spangenburg, E. E., Booth, F. W. Primary rat muscle progenitor cells have decreased proliferation and myotube formation during passages. Cell Proliferation. 37, 267-277 (2004).
- Syverud, B. C., Lee, J. D., VanDusen, K. W., Larkin, L. M. Isolation and purification of satellite cells for skeletal muscle tissue engineering. Journal of Regenerative Medicine. 3 (2), 117 (2014).
