Aislamiento y purificación de vesículas extracelulares bacterianas a partir de heces humanas mediante centrifugación en gradiente de densidad

Summary

Este estudio describe un método para aislar y purificar vesículas extracelulares bacterianas (BEV) enriquecidas a partir de heces humanas mediante centrifugación en gradiente de densidad (DGC), identifica las características físicas de los BEV a partir de la morfología, el tamaño de partícula y la concentración, y discute las posibles aplicaciones del enfoque DGC en la investigación clínica y científica.

Abstract

Las vesículas extracelulares bacterianas (BEV) son nanovesículas derivadas de bacterias que desempeñan un papel activo en la comunicación bacteria-bacteria y bacteria-huésped, transfiriendo moléculas bioactivas como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos heredados de la bacteria parental. Los BEV derivados de la microbiota intestinal tienen efectos en el tracto gastrointestinal y pueden llegar a órganos distantes, lo que tiene importantes implicaciones para la fisiología y la patología. Las investigaciones teóricas que exploran los tipos, las cantidades y las funciones de los BEV derivados de las heces humanas son cruciales para comprender la secreción y la función de los BEV de la microbiota intestinal. Estas investigaciones también requieren una mejora en la estrategia actual para aislar y purificar los BEV.

Este estudio optimizó el proceso de aislamiento y purificación de BEV mediante el establecimiento de dos modos de centrifugación en gradiente de densidad (DGC): Top-down y Bottom-up. La distribución enriquecida de los BEV se determinó en las fracciones 6 a 8 (F6-F8). La efectividad del enfoque se evaluó en función de la morfología de las partículas, el tamaño, la concentración y el contenido de proteínas. Se calcularon las tasas de recuperación de partículas y proteínas, y se analizó la presencia de marcadores específicos para comparar la recuperación y pureza de los dos modos de DGC. Los resultados indicaron que el modo de centrifugación de arriba hacia abajo tenía niveles de contaminación más bajos y lograba una tasa de recuperación y pureza similar a la del modo de abajo hacia arriba. Un tiempo de centrifugación de 7 h fue suficiente para alcanzar una concentración fecal de BEV de 10⁸/mg.

Además de las heces, este método podría aplicarse a otros tipos de fluidos corporales con la modificación adecuada de acuerdo con las diferencias en los componentes y la viscosidad. En conclusión, este protocolo detallado y fiable facilitaría el aislamiento y la purificación estandarizados de los BEV y, por lo tanto, sentaría las bases para el posterior análisis multiómico y experimentos funcionales.

Introduction

El intestino es ampliamente reconocido como el órgano que alberga las comunidades microbianas más abundantes en el cuerpo humano, con más del 90% de las bacterias involucradas en la colonización y multiplicación ^1,2. Numerosas pruebas han demostrado que la microbiota intestinal modula el microambiente intestinal y, al mismo tiempo, interactúa con la disfunción en órganos distantes, principalmente a través de una barrera intestinal alterada ^3,4. Cada vez hay más pruebas que indican una correlación entre el desequilibrio de la microbiota intestinal y la progresión de la enfermedad inflamatoria intestinal (EII)5,6, así como de los trastornos cognitivos a través del eje intestino-cerebro 5,6,7,8. Las vesículas extracelulares bacterianas (BEV) producidas por bacterias desempeñan un papel importante en estos procesos patológicos.

Los BEV son partículas a nanoescala que encapsulan derivados bacterianos, con diámetros que oscilan entre 20 y 400 nm. Se ha demostrado que facilitan las interacciones entre las bacterias y sus organismos huéspedes ^9,10. A pesar de su invisibilidad, estas partículas han atraído cada vez más la atención de los investigadores debido a sus amplias aplicaciones prospectivas como biomarcadores de diagnóstico, dianas terapéuticas y vehículos de administración de fármacos¹¹. Las heces humanas, que a menudo se utilizan como muestras biológicas para estudiar los BEV, procedentes principalmente de bacterias intestinales, contienen una mezcla compleja de agua, bacterias, lípidos, proteínas, residuos de alimentos no digeridos y células epiteliales exfoliadas, entre otros. La intrincada composición fecal plantea desafíos para el aislamiento y la pureza de los BEV, lo que impide un análisis exhaustivo, objetivo y realista de los BEV. Por lo tanto, las estrategias efectivas para minimizar la interferencia de los componentes contaminantes y mejorar el rendimiento de los BEV se han convertido en cuestiones críticas que merecen atención inmediata.

Las estrategias de aislamiento existentes se basan en gran medida en técnicas como la centrifugación de ultra alta velocidad (CU), la centrifugación en gradiente de densidad (DGC) y la cromatografía de exclusión por tamaño (SEC)12,13,14,15,16,17. Actualmente, el DGC es uno de los métodos más aplicados en el campo de la separación de BEV, que abarca dos modos de sedimentación flotante, “Top-down” y “Bottom-up”, que están determinados por la posición de carga inicial de la muestra. Estas metodologías diferencian las vesículas extracelulares (VE) de otros componentes en función de las disparidades de tamaño y densidad, lo que produce tasas variables de pureza y recuperación. Investigaciones anteriores han indicado que las estrategias de enfoque único son insuficientes para separar adecuadamente las VE de las proteínas solubles en muestras de fluidos corporales, como la lipoproteína en sangre¹⁸ y la proteína Tamm-Horsfall en orina¹⁹. Además, la distribución del tamaño de las vesículas extracelulares eucariotas (EEV) a menudo se superpone con la de los BEV, lo que requiere más mejoras metodológicas para optimizar el rendimiento de los BEV. En consecuencia, el avance en el estudio de los BEV depende del desarrollo de metodologías eficaces de separación y purificación. En particular, Tulkens et al 15 emplearon una estrategia biofísica ortogonal para separar los BEV fecales de los EEV, en la que el tiempo de centrifugación de un modo DGC de abajo hacia arriba fue de hasta¹⁸ h. Por el contrario, este estudio lo redujo a 7 h, ahorrando en gran medida el tiempo de ultracentrifugación en gradiente y simplificando el proceso.

En el presente estudio, aislamos y purificamos BEV fecales empleando dos modos DGC en condiciones de tampón optimizadas, después de enriquecer BEV con un rango de velocidades de centrifugación diferenciales, de baja a extremadamente alta velocidad. Las evaluaciones basadas en la morfología, el tamaño de partícula y la concentración indicaron un rendimiento encomiable con este método mejorado. Este estudio podría servir como base para futuras investigaciones, extendiendo sus aplicaciones a un dominio más amplio y ofreciendo información sobre la heterogeneidad de los BEV dentro del cuerpo humano. También contribuye a la estandarización de las técnicas de separación y análisis de BEV.

Protocol

El Comité de Ética del Hospital de Nanfang, de la Universidad Médica del Sur, sancionó este estudio, que fue realizado con el consentimiento informado de los participantes. Todos los métodos empleados en este documento se adhirieron a las pautas operativas estándar proporcionadas por los Estándares Internacionales del Microbioma Humano (IHMS: http://www.microbiome-standards.org/). Todos los procedimientos posteriores de manipulación de líquidos debían llevarse a cabo dentro de una cabina de bioseguridad o en un…

Representative Results

Determinar la distribución de las fracciones enriquecidas con BEVPara determinar la distribución de las fracciones enriquecidas con vesículas extracelulares bacterianas (BEV), se estableció un control en blanco para medir los valores de absorbancia a DO 340 nm, y se calculó la densidad de cada fracción en función de las mediciones y las directrices de yodixanol (Paso 8.1). En la Tabla 2 se presentan los resultados de densidad, demostrando que las fracciones F4 a F9 exhibieron …

Discussion

Las vesículas extracelulares bacterianas (BEV) son nanopartículas de bicapa lipídica secretadas por bacterias, portadoras de una gran cantidad de proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y otras moléculas bioactivas, que contribuyen a mediar los efectos funcionales de las bacterias²⁰. Se ha comprobado que los BEV derivados del intestino están implicados en el desarrollo de enfermedades, como la enfermedad inflamatoria intestinal, la enfermedad de Crohn y el cáncer colorrectal, y también afec…

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