密度勾配遠心分離法を用いたヒト糞便からの細菌細胞外小胞の単離と精製(英語)

Summary

本研究では、密度勾配遠心分離(DGC) により ヒトの糞便から濃縮した細菌の細胞外小胞(BEV)を単離・精製する方法を説明し、形態、粒子径、濃度からBEVの物理的特性を特定し、臨床研究および科学研究におけるDGCアプローチの潜在的な応用について議論します。

Abstract

細菌細胞外小胞(BEV)は、細菌由来のナノ小胞で、細菌間および細菌と宿主のコミュニケーションにおいて積極的な役割を果たし、親細菌から受け継いだタンパク質、脂質、核酸などの生理活性分子を輸送します。腸内細菌叢に由来するBEVは、消化管内で作用し、遠隔地の臓器に到達する可能性があるため、生理学や病理学に大きな影響を与えます。ヒトの糞便に由来するBEVの種類、量、役割を探る理論的研究は、腸内細菌叢からのBEVの分泌と機能を理解する上で非常に重要です。これらの調査では、BEVの分離と精製に関する現在の戦略の改善も必要になります。

この研究では、トップダウンとボトムアップの2つの密度勾配遠心分離(DGC)モードを確立することにより、BEVの分離および精製プロセスを最適化しました。BEVの濃縮分布は、フラクション6〜8(F6-F8)で決定されました。このアプローチの有効性は、粒子の形態、サイズ、濃度、およびタンパク質含有量に基づいて評価されました。粒子およびタンパク質の回収率を計算し、特定のマーカーの存在を分析して、2 つの DGC モードの回収率と純度を比較しました。その結果、トップダウン遠心分離モードの方が汚染レベルが低く、ボトムアップモードと同等の回収率と純度を達成していることが示されました。7時間の遠心分離時間は、糞便BEV濃度10⁸/mgを達成するのに十分でした。

糞便とは別に、この方法は、成分と粘度の違いに応じて適切に変更することで、他の体液タイプに適用できます。結論として、この詳細で信頼性の高いプロトコルは、BEVの標準化された分離と精製を容易にし、その後のマルチオミクス分析と機能実験の基礎を築きます。

Introduction

腸は、人体で最も豊富な微生物群集を持つ器官として広く認識されており、細菌の90%以上がコロニー形成と増殖に関与しています^1,2。腸内細菌叢は腸内微小環境を調節し、同時に主に腸管関門の障害を介して遠隔臓器の機能障害と相互作用することが広範な証拠によって実証されています^3,4。腸内細菌叢の不均衡と炎症性腸疾患(IBD)^の進行5,6、および腸^{脳軸を介した}認知障害との相関関係を示す証拠が増えています^5,6,7,8。細菌によって産生される細菌の細胞外小胞(BEV)は、これらの病理学的プロセスにおいて重要な役割を果たします。

BEVは、直径20〜400nmの細菌誘導体をカプセル化するナノスケールの粒子です。それらは、バクテリアとその宿主生物との間の相互作用を促進することが実証されています^9,10。これらの粒子は目に見えないにもかかわらず、診断バイオマーカー、治療標的、薬物送達媒体として幅広い用途が期待されているため、研究者からの注目が高まっています¹¹。主に腸内細菌を原料とするヒトの糞便は、BEV研究の生体試料としてよく使用され、水、細菌、脂質、タンパク質、未消化の食物残渣、剥離した上皮細胞などが複雑に混ざり合っています。複雑な糞便組成は、BEVの分離と純度に課題をもたらし、BEVの包括的、客観的、かつ現実的な分析を妨げています。したがって、汚染されたコンポーネントからの干渉を最小限に抑え、BEVの歩留まりを向上させるための効果的な戦略が、早急な対応を必要とする重要な問題として浮上しています。

既存の単離戦略は、超高速遠心分離(UC)、密度勾配遠心分離(DGC)、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)などの技術に大きく依存しています12,13,14,15,16,17。現在、DGCはBEV分離の分野で最も広く適用されている方法の1つであり、サンプルの初期ローディング位置によって決定される「トップダウン」と「ボトムアップ」の2つの沈降フローティングモードを包含しています。これらの方法論は、サイズと密度の格差に基づいて細胞外小胞(EV)を他の成分と区別し、さまざまな純度と回収率を生み出します。これまでの研究では、血液中のリポタンパク質¹⁸や尿中のTamm-Horsfallタンパク質¹⁹など、体液サンプル中の可溶性タンパク質からEVを適切に分離するには、シングルアプローチ戦略では不十分であることが示されています。さらに、真核生物の細胞外小胞(EEV)のサイズ分布はBEVのサイズ分布と重複することが多いため、BEVの収量を最適化するには、さらなる方法論的強化が必要です。したがって、BEVの研究を進めるには、効果的な分離および精製方法の開発にかかっています。特に、Tulkens et al 15 は、糞便 BEV を EEV から分離するために直交生物物理学的戦略を採用しており、ボトムアップ DGC モードの遠心分離時間は最大¹⁸ 時間でした。対照的に、この試験では 7 時間に短縮され、グラジエント超遠心分離時間が大幅に短縮され、プロセスが簡素化されました。

本研究では、低速から超高速まで、さまざまな異なる遠心分離速度でBEVを濃縮した後、最適化された緩衝条件下で、2つのDGCモードを用いて糞便BEVを分離および精製しました。形態、粒子径、および濃度に基づく評価は、この強化された分析法による称賛に値する性能を示しました。この研究は、将来の研究の基盤となり、その応用範囲をより広い領域に拡大し、人体におけるBEVの不均一性に関する洞察を提供する可能性があります。また、BEVの分離・分析技術の標準化にも貢献します。

Protocol

南方医科大学南方病院の倫理委員会は、参加者のインフォームドコンセントに基づいて実施されたこの研究を承認しました。ここで採用されているすべての方法は、ヒトマイクロバイオーム国際基準(IHMS:http://www.microbiome-standards.org/)によって提供される標準的な運用ガイドラインに準拠しています。その後のすべてのリキッドハンドリング手順は、バイオセーフティキャビネットまたは超クリ…

Representative Results

BEV富化画分の分布の決定細菌の細胞外小胞(BEV)濃縮画分の分布を決定するために、外径 340 nm での吸光度値を測定するためのブランクコントロールを確立し、測定値とヨウジキサノールガイドラインに基づいて各画分の密度を計算しました(ステップ 8.1)。 表2 は密度の結果を示しており、フラクションF4〜F9が細胞外小胞に典型的に関連する範囲内の密度を示したこ…

Discussion

細菌の細胞外小胞(BEV)は、細菌から分泌される脂質二重層ナノ粒子であり、タンパク質、脂質、核酸、その他の生理活性分子を豊富に含み、細菌の機能的効果の媒介に寄与する²⁰。腸に由来するBEVは、炎症性腸疾患、クローン病、大腸がんなどの疾患の発症に関与し、一般的な代謝に影響を与え、認知機能障害を媒介することが確認されています4,16,17,20,21,2…

Materials

1 % (w/v) glutaraldehyde (prepared from 2.5 % stock solution in deionized water)	ACMEC	AP1126	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.3
1 % (w/v) methylcellulose (prepared from original powder in deionized water)	Sigma-Aldrich	M7027	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.6
1.5 % (w/v) uranyl acetate (prepared from original powder in deionized water)	Polysciences	21447-25	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3.5
1000 μL, 200 μL, 10 μL Pipette	KIRGEN	KG1313, KG1212, KG1011	Transfer the solution
5 % (w/v) bovine serum albumin solution (prepared from the original powder in TBST buffer)	Fdbio science	FD0030	Used in western blotting for blocking at Step 8.5.6
5 × loading buffer	Fdbio science	FD006	Used in western blotting and Coomassie brilliant blue stain at Step 8.5.1
75 % (v/v) alcohol	LIRCON	LIRCON-500 mL	Surface disinfection
96-well plate	Rar	A8096	Measure the absorbance values
Anti-Calnexin antibody	Abcam	ab92573	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-CD63 antibody	Abcam	ab134045	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-CD9 antibody	Abcam	ab236630	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Flagellin antibody	Sino Biological	40067-MM06	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Integrin beta 1 antibody	Abcam	ab30394	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-LPS antibody	Thermo Fisher	MA1-83152	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-LTA antibody	Thermo Fisher	MA1-7402	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-OmpA antibody	CUSABIO	CSB-PA359226ZA01EOD, https://www.cusabio.com/	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-Syntenin antibody	Abcam	ab133267	Western blotting (Primary Antibody)
Anti-TSG101 antibody	Abcam	ab125011	Western blotting (Primary Antibody)
Autoclave	ZEALWAY	GR110DP	Sterilization for supplies and mediums used in the experiment
Balance	Mettler Toledo	AL104	Balance the tube sample-loaded with PBS
Bicinchoninic acid assay	Fdbio science	FD2001	Measure protein content of BEVs at Step 8.2
BioRender	BioRender	https://app.biorender.com	Make the schematic workflow of BEVs isolation and purification showed in Figure 1
Biosafety cabinet	Haier	HR1200- II B2	Peform the procedures about feces sample handling
Centrifuge 5810 R; Rotor F-34-6-38	Eppendorf	5805000092; 5804727002, adapter: 5804774000	Preprocess for BEVs (Step 3)
Chemiluminescence Apparatus	BIO-OI	OI600SE-MF	Used in western blotting for signal detection at Step 8.5.12
Cytation 5	BioTek	F01	Microplate detector for measuring the absorbance (Step 8.1) and fluorescence (Figure 6) values
Dil-labled low density lipoprotein	ACMEC	AC12038	Definition of distribution of interfering components
Electrophoresis equipment	Bio-rad	1658033	Used in western blotting for protein separation and transfer at Step 8.5.2, 8.5.3, 8.5.5
Enhanced Chemiluminescence kit HRP	Fdbio science	FD8020	Used in western blotting for signal detection at Step 8.5.12
Escherichia coli	American Type Culture Collection	ATCC8739	Isolate BEVs as a positive control. Protocol: Dissolve 25 g of the LB powder in 1 L deionized water, and autoclave. Transfer the 800 μL of preserved Escherichia coli into the medium. Cultivate at 37 °C in the incubator shaker. Then centrifuge at 3, 000 × g for 20 min at 4 °C, 12, 000 × g for 30 min at 4 °C, filter the supernatant through 0.22 μm membrane, and perform ultra-speed centrifugation at 160, 000 × g for 70 min at 4 °C. Pellet defined as crude BEVs from Escherichia coli was suspended in 1.2 mL PBS (Step 3, 4).
Falcon tubes 50 mL	KIRGEN	KG2811	Preprocess for BEVs (Step 3)
Feto Protein Staining Buffer	Absci	ab.001.50	Coomassie brilliant blue staining at Step 8.5.4
Filter paper	Biosharp	BS-TFP-070B	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3 (Blotting the solution)
Formvar/Carbon supported copper grids	Sigma-Aldrich	TEM-FCF200CU50	Morphological observation for BEVs using TEM at Step 8.3
HEPES powder	Meilunbio	MB6078	Prepare iodixanol buffers with different concentrations for density gradient centrifugation
HRP AffiniPure Goat Anti-Mouse IgG (H+L)	Fdbio science	FDM007	Western blotting (Secondary Antibody)
HRP AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG (H+L)	Fdbio science	FDR007	Western blotting (Secondary Antibody)
Incubator shaker	Qiangwen	DHZ-L	Cultivate Escherichia coli
Kimwipes™ Delicate Task Wipes	Kimtech Science	34155	Wipe the inner wall of the ultracentrifuge tube at Step 4.15
LB broth	Hopebio	HB0128	Cultivate Escherichia coli
Low temperature freezer (-80 °C)	Haier	DW-86L338J	Store the samples
Methanol	Alalddin	M116118	Used in western blotting for activating PVDF membrane at Step 8.5.5
Micro tubes 1.5 mL	KIRGEN	KG2211	Recover fractions after density gradient centrifugation
Micro tubes 2 mL	KIRGEN	KG2911	Recover fractions after density gradient centrifugation
Micro tubes 5 mL	BBI	F610888-0001	Recover fractions after density gradient centrifugation
Microplate reader	Thermo Fisher	Multiskan MK3	Measure protein content of BEVs at Step 8.2
Millipore filter 0.22 μm	Merck millipore	SLGP033RB	Filtration sterilization; Material: polyethersulfone, PES
NaCl	GHTECH	1.01307.040	Density gradient centrifugation solution
NaOH	GHTECH	1.01394.068	Density gradient centrifugation solution (pH adjustment)
Optima™ XPN-100	Beckman Coulter	A94469	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
OptiPrep™	Serumwerk Bernburg AG	1893	Density gradient centrifugation stock solution
Orbital Shaker	Youning	CS-100	Dissolve feces at Step 2
Phosphate buffered saline	Procell	PB180327	Dissolve feces at Step 2
Pipettor	Eppendorf	3120000267, 3120000259	Transfer the solution
Plastic pasteur pipette	ABCbio	ABC217003-4	Remove supernatant in preprocessing at Step 3.4
Polyvinylidene difluoride (PVDF) membranes	Millipore	ISEQ00010, IPVH00010	Used in western blotting for protein transfer at Step 8.5.5
Prefabricated polyacrylamide gel, 4–20% 15 Wells	ACE	F15420Gel	Used in western blotting for protein separation at Step 8.5.2, 8.5.3
Primary antibody diluent	Fdbio science	FD0040	Used in western blotting at Step 8.5.8
Protein ladder	Fdbio science	FD0672	Used in western blotting and Coomassie brilliant blue stain at Step 8.5
Rapid protein blotting solution	UBIO	UW0500	Used in western blotting for protein transfer at Step 8.5.5
Rotor SW 32 Ti Swinging-Bucket Rotor	Beckman Coulter	369650	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
Syringe 20 mL, 50 mL	Jetway	ZSQ-20ML, YCXWJZSQ-50 mL	Transfer buffers amd remove supernatant in preprocessing
TBS powder	Fdbio science	FD1021	Used in western blotting at Step 8.5
Transmission electron microscope (TEM)	Hitachi	H-7650	Morphological observation for BEVs at Step 8.3
Tween-20	Fdbio science	FD0020	Used in western blotting at Step 8.5
Ultracentrifuge tube	Beckman	326823, 355642	Ultracentrifugation for BEVs isolation at Step 4, 7
Ultra-clean bench	AIRTECH	SW-CJ-2FD	Peform the procedures about liquid handling
Water bath	Bluepard	CU600	Used for measuring protein content of BEVs at Step 8.2.5
ZetaView	Particle Metrix	S/N 21-734, Software ZetaView (version 8.05.14 SP7)	Nanoparticle tracking analysis (NTA) for measuring the particle size and concentrarion of BEVs at Step 8.4