Direkte stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (dSTORM) bruges til at omgå den typiske diffraktionsgrænse for lysmikroskopi og til at se exosomer på nanometerskalaen. Det kan anvendes i både to og tre dimensioner til at karakterisere exosomer.
Ekstracellulære vesikler (elbiler) frigives af alle celletyper og spiller en vigtig rolle i cellesignalering og homøostase. Visualiseringen af elbiler kræver ofte indirekte metoder på grund af deres lille diameter (40-250 nm), hvilket er under diffraktionsgrænsen for typisk lysmikroskopi. Vi har udviklet en mikroskopibaseret visualisering af elbiler med superopløsning for at omgå diffraktionsgrænsen i både to og tre dimensioner. Ved hjælp af denne tilgang kan vi løse den tredimensionelle form af elbiler til inden for +/- 20 nm opløsning på XY-aksen og +/- 50 nm opløsning langs Z-aksen. Afslutningsvis foreslår vi, at mikroskopi med superopløsning betragtes som en karakteriseringsmetode for elbiler, herunder exosomer, samt indhyllede vira.
Ekstracellulære vesikler (elbiler) er membranbundne vesikler frigivet af alle celletyper. De indeholder lipider, proteiner, metabolitter og nukleinsyrer og overfører disse materialer lokalt mellem celler og distally mellem væv og organer. Der findes tre primære undertyper af elbiler: apoptotiske kroppe, mikrovesicles og exosomer1,2. Her fokuserer vi vores diskussion på exosomer og deres tilhørende proteiner.
Exosomer er udskilles vesikler stammer fra indad spirende af tidlige endosomes i multivesicular body (MVB). MVB smelter derefter sammen med plasmamembranen og frigiver exosomer i det ekstracellulære rum for at rejse til andre celler3,4. Exosomer findes på et spektrum af størrelser fra 40 til 150 nm og er beriget med endosomal transmembrane proteiner kendt som tetraspaniner (CD9, CD63, CD81), membran-bundet endosomal sortering kompleks kræves til transport (ESCRT), og lipid flåde-associerede proteiner1,2,5,6,7.
Karakterisering af exosomers biokemiske sammensætning er blevet et populært område for forskere til bedre at forstå deres funktionelle natur. Mange metoder findes til visualisering og karakterisering af exosomer, herunder nanoskala flowcytometri, nanopartikler tracking analyse (NTA), scanning og transmission elektron mikroskopi (TEM), overflade plasmon resonans, resistiv puls sensing, og traditionelle lysmikroskopi, som hver indeholder iboende fordele og ulemper8,9. TEM og cryo-EM kan opnå nanometerbaseret opløsning, men kræver ofte dehydrerende og frysefrakturtrin og derved krympe eller lysing af elbiler10,11. NTA er afhængig af lysspredning, der giver mulighed for karakterisering af hundredvis af elbiler ad gangen, men er en indirekte måling af partikelstørrelse og kan ikke let skelne mellem elbiler, vira og proteinaggregater12,13,14,15,16. Nanoskala flowcytometri anvender lysspredning fra en excitationssti, som derefter kan oversættes til størrelsesmålinger, men er en ny teknologi, og der er ringe enighed om, hvilken størrelse partikler der er inden for det lineære område af detektion for forskellige instrumenter12,17,18.
Traditionel lysmikroskopi ved hjælp af fluorescerende proteiner eller farvestoffer har været en af de mest anvendte teknikker til visualisering af subcellulære rum, proteinkomplekser og signalmaskineri i en celle. Mens denne teknik viser sig nyttig til at visualisere lokalisering af komplekser, diffraktion grænse for traditionelle lysmikroskopi (ca. 250-400 nm) forhindrer klar opløsning af proteiner eller strukturer i den typiske størrelse rækkevidde af en exosome (40-150 nm)12,19,20.
Super-opløsning mikroskopi, nemlig direkte stokastisk optisk rekonstruktion mikroskopi (dSTORM), adskiller sig fra konventionelle lysmikroskopi ved at anvende photoswitchable egenskaber specifikke fluorophores og opdage disse blinkende begivenheder til at rekonstruere billeder ned til nanometer præcision21. Photoswitching begivenheder indsamles ved hjælp af en høj-framerate detektion kamera i løbet af titusinder af individuelle eksponeringer, og et punkt spredning funktion bruges til at kortlægge med høj tillid den nøjagtige placering af photoswitching fluorophore19,20,22. Dette gør det muligt for dSTORM at omgå diffraktionsgrænsen for lysmikroskopi. Flere grupper har rapporteret brugen af superopløsningsteknikker til visualisering og sporing af exosomer og deres tilknyttede proteiner22,23,24,25. Den endelige opløsning afhænger af fluorophorens biofysiske egenskaber, men varierer ofte fra +/-10-100 nm langs XY-aksen, hvilket giver mulighed for opløsning med enkeltmolekyler.
Evnen til at løse individuelle fluorophorer på denne skala på XY-aksen har revolutioneret mikroskopi. Der er dog kun få data om den tredimensionelle (3D) dSTORM af en exosome. Derfor forsøgte vi at etablere en standardprocedure (SOP) for dSTORM-baseret visualisering og karakterisering af rensede elbiler, herunder exosomer til nanometerpræcision i 3D.
Elbiler er blevet et populært studieområde på grund af deres vigtige rolle i mange intracellulære processer og celle-til-celle signalering1,30. Men deres visualisering viser sig at være vanskeligt, da deres lille størrelse falder under diffraktionsgrænsen for lysmikroskopi. Direkte stokastisk optisk rekonstruktion mikroskopi (dSTORM) er en direkte metode til visualisering, der omgår diffraktion grænse ved at fange photoswitching begivenheder af individue…
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Oxford Nanoimaging for deres konstruktive feedback og vejledning. Dette arbejde blev finansieret af 5UM1CA121947-10 til R.P.M. og 1R01DA040394 til D.P.D.
15 µ-Slide 8 well plates | Ibidi | 80827 | |
1X PBS | Gibco | 14190-144 | |
1X Penicillin Streptomycin solution | Gibco | 15140-122 | |
50 mL conical tube | Thermo Fisher | 339652 | |
500 mL 0.22 µm vacuum filtration apparatus | Genesee | 25-227 | |
750 kDa hollow-fiber cartridge cutoff filter | Cytiva | 29-0142-95 | |
AKTA Flux S | Cytiva | 29-0384-37 | |
AKTA Start | Cytiva | 29022094-ECOMINSSW | |
Anti-CD81 magnetic beads | Thermo Fisher | 10616D | |
B-cubed buffer | ONI | BCA0017 | |
CellMask Red | Thermo Fisher | C10046 | |
Dubelco's Modified Eagle Medium | Thermo Fisher | 10566016 | |
Fetal Bovine Serum | VWR | 97068-085 | |
Frac 30 Fraction collector | Cytiva | 29022094-ECOMINSSW | |
Glycine pH=2.0 | Thermo Fisher | BP381-5 | |
HiTrap CaptoCore 700 Column | Cytiva | 17548151 | |
Molecular Biology Grade Water | Corning | 9820003 | |
Nanoimager | Oxford Nanoimaging | Custom | |
Paraformaldehhyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Polyethylene glycol | Thermo Fisher | BP233-1 | |
RNase A | Promega | A797C | |
T175 Flasks | Genesee | 25-211 | |
Tetraspek microspheres | Invitrogen | T7279 | |
Tris- HCl pH=7.5 | Thermo Fisher | BP153-1 | |
Unicorn V | Cytiva | 29022094-ECOMINSSW |