Выделение и очистка бактериальных внеклеточных везикул из фекалий человека с помощью центрифугирования с градиентом плотности
Summary
В этом исследовании описывается метод выделения и очистки бактериальных внеклеточных везикул (БЭВ), обогащенных из фекалий человека с помощью центрифугирования с градиентом плотности (ДГК), определяются физические характеристики БЭВ с точки зрения морфологии, размера частиц и концентрации, а также обсуждаются потенциальные применения подхода ДГК в клинических и научных исследованиях.
Abstract
Бактериальные внеклеточные везикулы (БЭВ) — это нановезикулы, полученные из бактерий, которые играют активную роль в коммуникации бактерии-бактерии и бактерии-хозяина, перенося биологически активные молекулы, такие как белки, липиды и нуклеиновые кислоты, унаследованные от родительских бактерий. БЭВ, полученные из микробиоты кишечника, оказывают воздействие на желудочно-кишечный тракт и могут достигать отдаленных органов, что приводит к значительным последствиям для физиологии и патологии. Теоретические исследования, изучающие типы, количества и роль БЭВ, полученных из фекалий человека, имеют решающее значение для понимания секреции и функции БЭВ из микробиоты кишечника. Эти исследования также требуют совершенствования существующей стратегии по изоляции и очистке БЭВ.
В этом исследовании оптимизирован процесс изоляции и очистки электромобилей путем установления двух режимов центрифугирования с градиентом плотности (DGC): сверху вниз и снизу вверх. Обогащенное распределение БЭВ определяли во фракциях от 6 до 8 (F6-F8). Эффективность подхода оценивалась на основе морфологии частиц, размера, концентрации и содержания белка. Были рассчитаны скорости извлечения частиц и белков, а также проанализировано наличие специфических маркеров для сравнения восстановления и чистоты двух режимов ДГК. Результаты показали, что режим центрифугирования «Сверху вниз» имеет более низкие уровни загрязнения и обеспечивает скорость восстановления и чистоту, аналогичные режиму «Снизу вверх». Время центрифугирования 7 ч было достаточным для достижения концентрации фекальных БЭВ 108/мг.
Помимо фекалий, этот метод может быть применен и к другим типам жидкостей организма с соответствующей модификацией в соответствии с различиями в компонентах и вязкости. В заключение, этот подробный и надежный протокол облегчит стандартизированную изоляцию и очистку БЭВ и, таким образом, заложит основу для последующего мультиомиксного анализа и функциональных экспериментов.
Introduction
Кишечник широко признан органом, содержащим самые многочисленные микробные сообщества в организме человека, причем более 90% бактерий участвуют в колонизации и размножении 1,2. Обширные данные свидетельствуют о том, что микробиота кишечника модулирует микроокружение кишечника и одновременно взаимодействует с дисфункцией отдаленных органов, в первую очередь через нарушение кишечного барьера 3,4. Появляется все больше данных, указывающих на корреляцию между дисбалансом микробиоты кишечника и прогрессированием воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК)5,6, а также когнитивных нарушений через ось кишечник-мозг 5,6,7,8. Бактериальные внеклеточные везикулы (БЭВ), продуцируемые бактериями, играют значительную роль в этих патологических процессах.
БЭВ представляют собой наноразмерные частицы, инкапсулирующие производные бактерий, диаметром от 20 до 400 нм. Было продемонстрировано, что они облегчают взаимодействие между бактериями и их организмами-хозяевами 9,10. Несмотря на свою невидимость, эти частицы привлекают все большее внимание исследователей из-за их предполагаемого широкого применения в качестве диагностических биомаркеров, терапевтических мишеней и средств доставки лекарств11. Человеческие фекалии, часто используемые в качестве биологических образцов для изучения БЭВ, в основном полученные из кишечных бактерий, содержат сложную смесь воды, бактерий, липидов, белков, непереваренных остатков пищи и отслоившихся эпителиальных клеток. Сложный состав фекалий создает проблемы для изоляции и чистоты БЭВ, тем самым препятствуя всестороннему, объективному и реалистичному анализу БЭВ. Таким образом, эффективные стратегии минимизации помех от загрязняющих компонентов и повышения производительности электромобилей стали критически важными проблемами, требующими немедленного внимания.
Существующие стратегии изоляции в значительной степени основаны на таких методах, как сверхвысокоскоростное центрифугирование (UC), центрифугирование с градиентом плотности (DGC) и эксклюзионная хроматография (SEC)12,13,14,15,16,17. В настоящее время ДГК является одним из наиболее широко применяемых методов в области разделения БЭВ, охватывающим два седиментационно-плавающих режима, «сверху-вниз» и «снизу-вверх», которые определяются начальным положением загрузки образца. Эти методы позволяют дифференцировать внеклеточные везикулы (ВВ) от других компонентов на основе различий в размерах и плотности, обеспечивая различную чистоту и скорость восстановления. Предыдущие исследования показали, что стратегии однократного подхода недостаточны для адекватного отделения ВВ от растворимых белков в образцах биологических жидкостей, таких как липопротеин в крови18 и белок Тамма-Хорсфолла в моче19. Кроме того, распределение по размерам эукариотических внеклеточных везикул (ВЭВ) часто пересекается с распределением БЭВ, что обуславливает необходимость дальнейших методологических усовершенствований для оптимизации выхода БЭВ. Следовательно, дальнейшее изучение БЭВ зависит от разработки эффективных методологий сепарации и очистки. Примечательно, что Tulkens et al.15 использовали ортогональную биофизическую стратегию для отделения фекальных БЭВ от ВЭЭ, в которой время центрифугирования в режиме ДГК «снизу вверх» составляло до 18 ч. В отличие от этого, это исследование сократило его до 7 ч, что значительно сэкономило время градиентно-ультрацентрифугирования и упростило процесс.
В настоящем исследовании мы выделили и очистили фекальные БЭВ с использованием двух режимов ДГК в оптимизированных буферных условиях после обогащения БЭВ диапазоном дифференциальных скоростей центрифугирования, от низкой до чрезвычайно высокой. Оценки, основанные на морфологии, размере частиц и концентрации, показали похвальную эффективность этого усовершенствованного метода. Это исследование может послужить основой для будущих исследований, расширяя его применение в более широкой области и предлагая понимание гетерогенности БЭВ в организме человека. Это также способствует стандартизации методов разделения и анализа электромобилей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Бактериальные внеклеточные везикулы (БЭВ) представляют собой липидно-бислойные наночастицы, секретируемые бактериями, несущие множество белков, липидов, нуклеиновых кислот и других биологически активных молекул, способствующих опосредованию функциональных эффектов бактерий<sup class="x…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда для выдающихся молодых ученых (82025024); Ключевой проект Национального фонда естественных наук Китая (82230080); Национальная программа ключевых исследований и разработок Китая (2021YFA1300604); Национальный фонд естественных наук Китая (81871735, 82272438 и 82002245); Гуандунский фонд естественных наук для выдающихся молодых ученых (2023B1515020058); Фонд естественных наук провинции Гуандун (2021A1515011639); Крупная государственная программа развития фундаментальных исследований Фонда естественных наук провинции Шаньдун в Китае (ZR2020ZD11); Научный фонд постдокторантуры (2022M720059); Программа развития выдающейся молодежи больницы Наньфан Южного медицинского университета (2022J001).
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 |
References
- Costello, E. K., et al. Bacterial community variation in human body habitats across space and time. Science. 326 (5960), 1694-1697 (2009).
- Greenhalgh, K., Meyer, K. M., Aagaard, K. M., Wilmes, P. The human gut microbiome in health: establishment and resilience of microbiota over a lifetime. Environmental Microbiology. 18 (7), 2103-2116 (2016).
- de Vos, W. M., Tilg, H., Van Hul, M., Cani, P. D. Gut microbiome and health: mechanistic insights. Gut. 71 (5), 1020-1032 (2022).
- Zhou, P., Yang, D., Sun, D., Zhou, Y. Gut microbiome: New biomarkers in early screening of colorectal cancer. Journal of Clinical Laboratory Analysis. 36 (5), 24359 (2022).
- Paik, D., et al. Human gut bacteria produce Τ(Η)17-modulating bile acid metabolites. Nature. 603 (7903), 907-912 (2022).
- Parada Venegas, D., et al. Short chain fatty acids (SCFAs)-mediated gut epithelial and immune regulation and its relevance for inflammatory bowel diseases. Frontiers in Immunology. 10, 277 (2019).
- Jiang, C., Li, G., Huang, P., Liu, Z., Zhao, B. The Gut microbiota and Alzheimer’s disease. Journal of Alzheimer’s Disease. 58 (1), 1-15 (2017).
- Morais, L. H., Schreiber, H. L. t., Mazmanian, S. K. The gut microbiota-brain axis in behaviour and brain disorders. Nature Reviews Microbiology. 19 (4), 241-255 (2021).
- Kim, J. H., Lee, J., Park, J., Gho, Y. S. Gram-negative and Gram-positive bacterial extracellular vesicles. Seminars in Cell and Developmental Biology. 40, 97-104 (2015).
- Toyofuku, M., Nomura, N., Eberl, L. Types and origins of bacterial membrane vesicles. Nature Reviews Microbiology. 17 (1), 13-24 (2019).
- Xie, J., Li, Q., Haesebrouck, F., Van Hoecke, L., Vandenbroucke, R. E. The tremendous biomedical potential of bacterial extracellular vesicles. Trends in Biotechnology. 40 (10), 1173-1194 (2022).
- Coumans, F. A. W., et al. Methodological guidelines to study extracellular vesicles. Circulation Research. 120 (10), 1632-1648 (2017).
- Northrop-Albrecht, E. J., Taylor, W. R., Huang, B. Q., Kisiel, J. B., Lucien, F. Assessment of extracellular vesicle isolation methods from human stool supernatant. Journal of Extracellular Vesicles. 11 (4), 12208 (2022).
- Park, Y. E., et al. Microbial changes in stool, saliva, serum, and urine before and after anti-TNF-α therapy in patients with inflammatory bowel diseases. Scientific Reports. 12 (1), 6359 (2022).
- Tulkens, J., De Wever, O., Hendrix, A. Analyzing bacterial extracellular vesicles in human body fluids by orthogonal biophysical separation and biochemical characterization. Nature Protocols. 15 (1), 40-67 (2020).
- Tulkens, J., et al. Increased levels of systemic LPS-positive bacterial extracellular vesicles in patients with intestinal barrier dysfunction. Gut. 69 (1), 191-193 (2020).
- Kang, C. S., et al. Extracellular vesicles derived from gut microbiota, especially Akkermansia muciniphila, protect the progression of dextran sulfate sodium-induced colitis. PloS one. 8 (10), 76520 (2013).
- Simonsen, J. B. What are we looking at? Extracellular vesicles, lipoproteins, or both. Circulation Research. 121 (8), 920-922 (2017).
- Correll, V. L., et al. Optimization of small extracellular vesicle isolation from expressed prostatic secretions in urine for in-depth proteomic analysis. Journal of Extracellular Vesicles. 11 (2), 12184 (2022).
- Liang, X., et al. Gut bacterial extracellular vesicles: important players in regulating intestinal microenvironment. Gut Microbes. 14 (1), 2134689 (2022).
- Alberti, G., et al. Extracellular vesicles derived from gut microbiota in inflammatory bowel disease and colorectal cancer. Biomedical papers of the Medical Faculty of the University Palacky, Olomouc, Czech Republic. 165 (3), 233-240 (2021).
- Díez-Sainz, E., Milagro, F. I., Riezu-Boj, J. I., Lorente-Cebrián, S. Effects of gut microbiota-derived extracellular vesicles on obesity and diabetes and their potential modulation through diet. Journal of Physiology and Biochemistry. 78 (2), 485-499 (2022).
- Lajqi, T., et al. Gut microbiota-derived small extracellular vesicles endorse memory-like inflammatory responses in murine neutrophils. Biomedicines. 10 (2), 442 (2022).
- Lee, K. E., et al. The extracellular vesicle of gut microbial Paenalcaligenes hominis is a risk factor for vagus nerve-mediated cognitive impairment. Microbiome. 8 (1), 107 (2020).
- Villard, A., Boursier, J., Andriantsitohaina, R. Bacterial and eukaryotic extracellular vesicles and nonalcoholic fatty liver disease: new players in the gut-liver axis. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 320 (4), G485-G495 (2021).
- Wei, S., et al. Outer membrane vesicles enhance tau phosphorylation and contribute to cognitive impairment. Journal of Cellular Physiology. 235 (5), 4843-4855 (2020).
- Bitto, N. J., Kaparakis-Liaskos, M. Methods of bacterial membrane vesicle production, purification, quantification, and examination of their immunogenic functions. Methods in Molecular Biology. 2523, 43-61 (2022).
- Stentz, R., Miquel-Clopés, A., Carding, S. R. Production, isolation, and characterization of bioengineered bacterial extracellular membrane vesicles derived from Bacteroides thetaiotaomicron and their use in vaccine development. Methods in Molecular Biology. 2414, 171-190 (2022).
- Zhang, Q., Jeppesen, D. K., Higginbotham, J. N., Franklin, J. L., Coffey, R. J. Comprehensive isolation of extracellular vesicles and nanoparticles. Nature Protocols. 18 (5), 1462-1487 (2023).
- Iwai, K., Minamisawa, T., Suga, K., Yajima, Y., Shiba, K. Isolation of human salivary extracellular vesicles by iodixanol density gradient ultracentrifugation and their characterizations. Journal of Extracellular Vesicles. 5, 30829 (2016).
- Vandeputte, D., et al. Stool consistency is strongly associated with gut microbiota richness and composition, enterotypes and bacterial growth rates. Gut. 65 (1), 57-62 (2016).
- Wen, M., et al. Bacterial extracellular vesicles: A position paper by the Microbial Vesicles Task Force of the Chinese Society of Extracellular Vesicles. Interdisciplinary Medicine. 1, 12046 (2023).
