Isolamento, caratterizzazione e applicazione terapeutica di vescicole extracellulari da cellule staminali mesenchimali umane in coltura

Summary

Il presente protocollo descrive la centrifugazione differenziale per isolare e caratterizzare EV rappresentative (esosomi e microvescicole) da MSC umane in coltura. Ulteriori applicazioni di questi veicoli elettrici sono spiegate anche in questo articolo.

Abstract

Le vescicole extracellulari (EV) sono nanoparticelle di membrana eterogenee rilasciate dalla maggior parte dei tipi cellulari e sono sempre più riconosciute come regolatori fisiologici dell’omeostasi dell’organismo e importanti indicatori di patologie; Nel frattempo, sta emergendo il loro immenso potenziale per stabilire terapie di malattia accessibili e controllabili. Le cellule staminali mesenchimali (MSC) possono rilasciare grandi quantità di EV in coltura, che hanno dimostrato di promettere di avviare un’efficace rigenerazione dei tessuti e facilitare ampie applicazioni terapeutiche con una buona scalabilità e riproducibilità. C’è una crescente domanda di protocolli semplici ed efficaci per la raccolta e l’applicazione di MSC-EV. Qui, viene fornito un protocollo dettagliato basato sulla centrifugazione differenziale per isolare e caratterizzare EV rappresentativi da MSC umane in coltura, esosomi e microvescicole per ulteriori applicazioni. L’adattabilità di questo metodo è dimostrata per una serie di approcci a valle, come l’etichettatura, il trapianto locale e l’iniezione sistemica. L’implementazione di questa procedura risponderà alla necessità di una raccolta e di un’applicazione semplici e affidabili di MSC-EV nella ricerca traslazionale.

Introduction

Le cellule staminali sono cellule pluripotenti indifferenziate con capacità di auto-rinnovamento e potenziale traslazionale¹. Le cellule staminali mesenchimali (MSC) sono facilmente isolate, coltivate, espanse e purificate in laboratorio, il che rimane caratteristico delle cellule staminali dopo più passaggi. Negli ultimi anni, prove crescenti hanno sostenuto l’opinione che le MSC agiscono in modo paracrino nell’uso terapeutico ^2,3. Soprattutto la secrezione di vescicole extracellulari (EV) svolge un ruolo cruciale nel mediare le funzioni biologiche delle MSC. Come nanoparticelle membranose eterogenee rilasciate dalla maggior parte dei tipi di cellule, le EV consistono in sottocategorie denominate esosomi (Exos), microvescicole (MV) e corpi apoptotici ancora più grandi ^4,5. Tra questi, Exos è l’EV più studiato con una dimensione di 40-150 nm, che è di origine endosomiale e attivamente secreto in condizioni fisiologiche. Le MV si formano spargendo direttamente dalla superficie della membrana plasmatica cellulare con un diametro di 100-1.000 nm, che sono caratterizzate da un’elevata espressione di fosfatidilserina e dall’espressione di marcatori superficiali di cellule donatrici⁶. Le EV contengono RNA, proteine e altre molecole bioattive, che hanno funzioni simili alle cellule madri e svolgono un ruolo significativo nella comunicazione cellulare, nella risposta immunitaria e nella riparazione dei danni tissutali⁷. Le MSC-EV sono state ampiamente studiate come un potente strumento terapeutico privo di cellule nella medicina rigenerativa⁸.

L’isolamento e la purificazione dei veicoli elettrici derivati da MSC è un problema comune nel campo della ricerca e dell’applicazione. Allo stato attuale, l’ultracentrifugazione differenziale e a gradiente di densità⁹, il processo di ultrafiltrazione¹⁰, la separazione immunomagnetica 11, il cromatografo ad esclusione molecolare 12 e il chip microfluidico¹³ sono metodi ampiamente impiegati nell’isolamento e nella purificazione delle EV. Con i vantaggi e gli svantaggi di ciascun approccio, la quantità, la purezza e l’attività dei veicoli elettrici raccolti non possono essere soddisfatti contemporaneamente^14,15. Nel presente studio, viene mostrato in dettaglio il protocollo di centrifugazione differenziale di isolamento e caratterizzazione delle EV da MSC in coltura, che ha supportato un uso terapeutico efficiente 16,17,18,19,20. L’adattabilità di questo metodo per una serie di approcci a valle, come la marcatura fluorescente, il trapianto locale e l’iniezione sistemica, è stata ulteriormente esemplificata. L’implementazione di questa procedura risponderà alla necessità di una raccolta e di un’applicazione semplici e affidabili delle MSC-EV nella ricerca traslazionale.

Protocol

Tutte le procedure sugli animali sono state approvate dal Comitato per la cura e l’uso degli animali della Quarta Università medica militare ed eseguite in conformità con la Guida del National Institutes of Health per la cura e l’uso degli animali da laboratorio. Sono stati utilizzati topi C57Bl/6 di otto settimane (nessuna preferenza per femmine o maschi). Le MSC derivate dal cordone ombelicale umano crioconservate (UCMSC), utilizzate per il presente studio, sono state ottenute da una fonte commerciale (vedi T…

Representative Results

MV ed Exos da UCMSC umani in coltura vengono isolati seguendo il flusso di lavoro sperimentale (Figura 1). I risultati NTA dimostrano che la dimensione di Exos da MSC umane varia da 40 nm a 335 nm con una dimensione di picco di circa 100 nm, e la dimensione delle MV varia da 50 nm a 445 nm con una dimensione di picco di 150 nm (Figura 2). La caratterizzazione morfologica degli Exos derivati da MSC mostra una tipica forma a coppa (Figura 3</s…

Discussion

Le EV stanno emergendo per svolgere un ruolo importante in diverse attività biologiche, tra cui la presentazione dell’antigene, il trasporto di materiale genetico, la modifica del microambiente cellulare e altri. Inoltre, la loro ampia applicazione offre nuovi approcci e opportunità per la diagnosi e il trattamento delle malattie²¹. L’implementazione delle applicazioni terapeutiche delle EV si basa sul successo dell’isolamento e della caratterizzazione. Tuttavia, a causa della mancanza di metodi…

Materials

10% povidone-iodine (Betadine)	Weizhenyuan	10053956954292	Wound disinfection
Calibration solution	Particle Metrix	110-0020	Calibrate the NTA instrument
Carprofen	Sigma	53716-49-7	Analgesic medicine
Caudal vein imager	KEW Life Science	KW-XXY	Caudal vein imager
Centrifuge	Eppendorf	5418R	Centrifugation
Fatal bovine serum	Corning	35-081-CV	Culture of UCMSCs
Formvar/carbon-coated square mesh	PBL Assay Science	24916-25	Transmission electron microscope
Heating pad	Zhongke Life Science	Z8G5JBMz	Post-treatment care of animals
Heparin Solution	StemCell	7980	Systemic injection
Isoflurane	RWD Life Science	R510-22	Animal anesthesia
Minimum Essential Medium Alpha basic (1x)	Gibco	C12571500BT	Culture of UCMSCs
Nanoparticle tracking analyzer	Particle Metrix	ZetaView PMX120	Nanoparticle tracking analysis
PBS (1x)	Meilunbio	MA0015	Resuspend EVs
Penicillin/Streptomycin	Procell Life Science	PB180120	Culture of UCMSCs
Phosphotungstic acid	Solarbio	12501-23-4	Transmission electron microscope
Pipette	Eppendorf	3120000224
PKH26 Red Fluorescent Cell Linker Kit	Sigma-Aldrich	MINI26	Labeling EVs
Skin biopsy punch	Acuderm	69038-10-50	Skin defects
Software ZetaView	Particle Metrix	Version 8.05.14 SP7
Thermostatic equipment	Grant	v-0001-0005	Water bath
Transmission electron microscope	HITACHI	HT7800	Transmission electron microscope
UCMSCs	Bai'ao	UKK220201	Commercially UCMSCs
Ultracentrifuge	Beckman	XPN-100	Centrifugation
Ultrapure filtered water purification system	Milli-Q	IQ 7000	Preparation of ultrapure water