Imagerie des vésicules extracellulaires par microscopie de force atomique
Summary
Une procédure étape par étape est décrite pour l’immobilisation sans étiquette des exosomes et des vésicules extracellulaires à partir d’échantillons liquides et leur imagerie par microscopie de force atomique (AFM). Les images de l’AFM sont utilisées pour estimer la taille des vésicules de la solution et caractériser d’autres propriétés biophysiques.
Abstract
Les exosomes et autres vésicules extracellulaires (VEV) sont des complexes moléculaires constitués d’une vésicule de membrane lipidique, de sa décoration de surface par des protéines membranaires et d’autres molécules, et d’un contenu luminaire diversifié hérité d’une cellule parente, qui comprend des ARN, protéines et les ANN. La caractérisation des tailles hydrodynamiques des véhicules électriques, qui dépend de la taille de la vésicule et de sa couche coronale formée par des décorations de surface, est devenue routinière. Pour les exosomes, le plus petit des véhicules électriques, la différence relative entre les tailles hydrodynamiques et vésicules est significative. La caractérisation de la taille des vésicules par l’imagerie par électron de transmission cryogénique (cryo-TEM), une technique d’étalon-or, demeure un défi en raison du coût de l’instrument, de l’expertise requise pour effectuer la préparation de l’échantillon, l’imagerie et data, et un petit nombre de particules souvent observées dans les images. Une alternative largement disponible et accessible est la microscopie de force atomique (AFM), qui peut produire des données polyvalentes sur la géométrie tridimensionnelle, la taille, et d’autres propriétés biophysiques des vésicules extracellulaires. Le protocole développé guide les utilisateurs dans l’utilisation de cet outil d’analyse et décrit le flux de travail pour l’analyse des véhicules électriques par l’AFM, qui comprend la préparation de l’échantillon pour l’imagerie des véhicules électriques sous forme hydratée ou desséchée, l’immobilisation électrostatique de vésicules sur un substrat, l’acquisition de données, son analyse et son interprétation. Les résultats représentatifs démontrent que la fixation des véhicules électriques sur la surface modifiée du mica est prévisible, personnalisable et permet à l’utilisateur d’obtenir des résultats de dimensionnement pour un grand nombre de vésicules. Le dimensionnement de la vésicule basé sur les données de l’AFM s’est avéré compatible avec l’imagerie cryo-TEM.
Introduction
Les vésicules extracellulaires (VE) sont présentes dans tous les liquides organiques, y compris le sang, l’urine, la salive, le lait et le liquide amniotique. Les exosomes forment une classe de district d’EV différenciés des autres véhicules électriques par la biogenèse endosomale, les marqueurs de la voie endosomal, et la plus petite taille parmi tous les véhicules électriques. La taille des exosomes est souvent rapportée avec une variabilité substantielle entre les études. Les résultats de dimensionnement ont été jugés dépendants de la méthode, reflétant la différence dans les principes physiques utilisés par différentes techniques analytiques pour estimer les tailles EV1,2. Par exemple, l’analyse du suivi des nanoparticules (NTA), la technique de caractérisation de la taille la plus utilisée, estime la taille des véhicules électriques comme leurs diamètres hydrodynamiques, qui caractérisent la résistance à la mobilité Brownienne des véhicules électriques dans la solution. Un diamètre hydrodynamique plus grand d’une vésicule implique sa mobilité plus faible en liquide. La couche coronale autour des vésicules, composée de protéines de surface et d’autres molécules ancrées ou adsorbées à la surface de la membrane, entrave considérablement la mobilité et augmente la taille hydrodynamique des véhicules électriques. En termes relatifs, cette augmentation est particulièrement importante pour les exosomes3, comme l’illustre la figure 1.
L’imagerie par électron de transmission cryogénique (cryo-TEM) est une technique définitive pour caractériser la taille et la morphologie des vésicules dans leurs états hydratés. Cependant, le coût élevé de l’instrumentation et l’expertise spécialisée nécessaire pour l’utiliser correctement motivent l’exploration de techniques alternatives qui peuvent image hydratée EV. Un nombre relativement faible d’EV observés ou caractérisés dans les images cryo-TEM acquises est un autre inconvénient notable de cette technique.
La microscopie par force atomique (AFM) visualise la topographie tridimensionnelle des véhicules électriques hydratés ou desséchés4,5,6 en scannant une sonde à travers le substrat pour raster l’image des particules à la surface. Les étapes essentielles du protocole pour caractériser les véhicules électriques par l’AFM sont décrites dans cette étude. Avant d’imagerie des vésicules en liquide, ils doivent être immobilisés sur un substrat soit en s’attachant à une surface fonctionnalisée, en piégeant dans un filtre, ou par attraction électrostatique7. La fixation électrostatique sur un substrat chargé positivement est une option particulièrement pratique pour l’immobilisation des exosomes connus pour avoir un potentiel zeta négatif. Cependant, les mêmes forces électrostatiques qui immobilisent les vésicules extracellulaires à la surface déforment également leur forme, ce qui rend l’analyse des données post-imagerie essentielle. Nous élaborons ce point en décrivant l’algorithme qui estime la taille des vésicules globulaires dans la solution en fonction des données de l’AFM sur la forme déformée des exosomes immobilisés à la surface.
Dans le protocole développé, la procédure pour l’immobilisation électrostatique robuste des vésicules est présentée et suivie par les étapes nécessaires pour effectuer l’imagerie de force atomique dans les états hydratés ou desséchés. Les facteurs qui influencent la concentration de surface des vésicules immobilisées sont identifiés. Les conseils sont donnés sur la façon d’effectuer l’immobilisation électrostatique pour les échantillons avec différentes concentrations de véhicules électriques dans la solution. La sélection de conditions expérimentales permettant l’estimation des distributions empiriques de probabilité de différentes propriétés biophysiques basées sur un nombre suffisamment élevé de vésicules immobilisées est discutée. Des exemples d’analyse post-imagerie des données de l’AFM sont donnés. Plus précisément, un algorithme est décrit pour déterminer la taille des vésicules dans la solution basée sur la caractérisation AFM des véhicules électriques immobilisés. Les résultats représentatifs montrent la cohérence du dimensionnement de la vésicule par l’AFM avec les résultats de l’imagerie cryo-TEM.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’immobilisation des véhicules électriques à partir d’un fluide biologique, d’un balayage de surface et d’une analyse d’image sont les étapes essentielles du protocole élaboré pour la caractérisation des véhicules électriques par aFM en liquide. Le nombre de vésicules propices aux échelles d’imagerie AFM avec la surface imageetée et la concentration de surface des vésicules immobilisées sur le substrat. Compte tenu d’un potentiel zeta négatif des véhicules électriques et des exosomes18,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent le soutien financier de la National Science Foundation (numéro iGERT-0903715), de l’Université de l’Utah (Department of Chemical Engineering Seed Grant et du Graduate Research Fellowship Award) et du Skolkovo Institute of Science et la technologie (Skoltech Fellowship).
Materials
| AFM/STM Controller | Bruker | Multimode Nanoscope V | This AFM controller supports imaging of biological samples in liquid and air. |
| AFM/STM metal specimen discs (10 mm) | TedPella | 16207 | Metal specimen disc on which a mica disk is attached by a double-sided tape or other means. |
| AFM/STM Mica discs (10 mm) | TedPella | 50 | Highest quality grade V1 mica, 0.21mm (0.0085”) thick. Interleaved, in packages of 10. Can be mounted on AFM/STM discs. Available in four diameters |
| AFM probe for imaging in the air | Bruker | TESP-V2 | High quality etched silicon probes for tapping mode and non-contact mode for scanning in the air. |
| AFM probe for soft sample imaging in liquid | Bruker | MLCT | Soft silicon nitride cantilevers with silicon nitride tips, which are well-suited for liquid operation. The range in force constants enables users to image extremely soft samples in contact mode as well as high load vs distance spectroscopy. |
| Double sided tape | Spectrum | 360-77705 | Used to fix the mica disk on the metal specimen disc. |
| ExoQuick-TC | System Biosciences | EXOTC50A-1 | ExoQuick-TC is a proprietary polymer-based kit designed for exosome isolation from tissue culture media. |
| Glass probe AFM holder for imaging in liquid | Bruker | MTFML-V2 | This glass probe holder is designed for scanning in fluid with the MultiMode AFM. The holder can be used in peak force tapping mode, contact mode, tapping mode, and force modulation. The probe is acoustically driven by a separate piezo oscillator for larger amplitude modulation. The holder is supplied with two ports, required fittings, and accessories kit for adding and removing fluids. |
| Gwyddion | Czech Metrology Institute. | Version 2.52 | Open Source software for visualization and analysis of data fields obtained by scanning probe microscopy techniques. |
| Lint-free blotting paper | GE Healthcare Whatman | Grade GB003 Blotting Paper | Use this blotting paper to remove NiCl2 after the modification of the mica's substrate. |
| Lint-free cleanroom wipes | Texwipe | AlphaWipe TX1004 | Use these polyester wipes for surface cleaning. |
| Nickel(II) chloride (NiCl2) | Sigma-Aldrich | 339350 | Powder used to make 10 mM NiCl2 in DI water |
| Phosphate Buffered Saline (1x) | Gibco | 10010023 | PBS, pH 7.4 |
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