Ensaio de absorção de vesícula extracelular via análise de imagens de microscópio confocal
Summary
Vesículos extracelulares (EVs) contribuem para a biologia celular e comunicações intercelulares. Há necessidade de ensaios práticos para visualizar e quantificar a absorção de EVs pelas células. O protocolo atual propõe o ensaio de absorção de EV utilizando imagens de fluorescência tridimensional através de microscopia confocal, após o isolamento do EV por um dispositivo microfluido baseado em nanofilição.
Abstract
Há necessidade de ensaios práticos para visualizar e quantificar a absorção de vesícula extracelular (EV) das células. A captação de EV desempenha um papel na comunicação intercelular em diversas áreas de pesquisa; biologia do câncer, neurociência e entrega de drogas. Muitos ensaios de absorção de EV foram relatados na literatura; no entanto, há uma falta de metodologia experimental prática e detalhada. A absorção de EV pode ser avaliada rotulando fluorescentemente EVs para detectar sua localização dentro das células. A distinção entre EVs internalizados nas células e os EVs superficiais nas células é difícil, mas crítica, determinar com precisão a absorção de EV. Portanto, um ensaio que quantifica eficientemente a absorção de EV através de microscopia de fluorescência tridimensional (3D) é proposto neste trabalho. Os EVs fluorescentes foram preparados usando um dispositivo microfluido baseado em nanofiliação, visualizado por microscopia confocal 3D e, em seguida, analisados através de software avançado de processamento de imagem. O protocolo fornece uma metodologia robusta para a análise de EVs em nível celular e uma abordagem prática para uma análise eficiente.
Introduction
Vesículas extracelulares (EVs) são partículas nano-dimensionadas e ligadas à membrana lipídica que são categorizadas por seus tamanhos: ectosomos (100-500 nm) e exosósmos (50-150 nm)1. Os EVs contêm várias biomoléculas, como proteínas, ácidos nucleicos e lipídios. Essas biomoléculas originam-se das células antes de serem encapsuladas como carga e liberadas no espaço extracelular via EVs1,2,3.
Devido à variedade de sua carga, acredita-se que os EVs desempenham um papel ativo na comunicação intercelular. A liberação e absorção de EVs por células permitem a transferência de biomoléculas entre as células4,5. A introdução da carga EV em uma célula pode alterar as funções da célula receptora e o estado homeostático4,5,6. Os EVs são internalizados através de múltiplas vias; no entanto, os mecanismos exatos não foram demonstrados com precisão.
A maioria dos ensaios de absorção de EV, como a marcação genética, rotulam fluorescentemente EVs7 individuais. O sinal resultante pode ser medido por fotômetro de microplatograma, citometria de fluxo ou microscopia, com cada tecnologia tendo limitações substanciais. Os fotômetros de microplape, a citometria de fluxo ou a microscopia bidimensional padrão (2D) não podem distinguir entre EVs8,9 internalizados e superficialmente ligados. Além disso, a preparação necessária da amostra para cada uma dessas técnicas pode introduzir problemas adicionais à avaliação de absorção de EV. Por exemplo, o levantamento de células aderidas com trippsina antes da análise de absorção do EV pode cortar alguns EVs superficialmente ligados na superfície da célula10,11. A trippsina também pode interagir com a superfície celular, afetando o fenótipo celular e EV. Além disso, a trippsina pode não desaprender eVs superficiais inteiramente, distorcendo populações isoladas.
Para rotular com precisão os EVs com corantes fluorescentes, são necessárias etapas adicionais de lavagem para remover o corante residual7. Técnicas de isolamento aceitas também podem contribuir para sinais falso-positivos devido à coagulação que ocorre durante o isolamento do EV. Por exemplo, a ultracentrifugação serial (UC) é amplamente usada para isolar EVs e remover o corante imobilizado. No entanto, a UC pode co-precipitar EVs, e o corante residual pode levar a um sinal falso-positivo12,13. Outros métodos de nano-filtração, como filtração baseada em coluna, também são amplamente utilizados para a remoção de corantes não imobilizados. A natureza complexa dos EVs e da interação de corantes dentro da matriz da coluna pode levar à remoção incompleta do corante residual devido ao corte molecular da coluna ser alterado pelo complexo insumo14,15,16.
O protocolo atual propõe um dispositivo microfluido à base de nano-filtração para isolar e lavar EVs isolados fluorescentes. O dispositivo microfluido baseado em nano-filtração pode fornecer filtração eficiente através da tecnologia de separação assistida por fluidos (FAST)17,18. O FAST reduz a queda de pressão através do filtro, reduzindo assim a agregação potencial entre EVs e corantes. Ao remover eficientemente o corante residual, é possível melhorar a qualidade dos EVs rotulados fluorescentes e a especificidade do ensaio.
A microscopia confocal pode distinguir entre EVs internalizados e superficialmente ligados na superfície celular e investigar de forma abrangente os mecanismos celulares de absorção de EV em uma resolução espacial19,20,21,22,23,24,25. Por exemplo, Sung et al. descreveram a visualização do ciclo de vida exossomo usando seu repórter desenvolvido ao vivo. A localização dos EVs internalizados foi detectada e analisada utilizando um microscópio confocal em ferramentas de processamento de três dimensões (3D) e pós-imagem20. Embora o tamanho dos pequenos EVs (40-200 nm) esteja abaixo do limite de resolução do microscópio óptico, os EVs rotulados fluorescentemente podem ser detectados por microscopia confocal, uma vez que o fotodetetor pode detectar a emissão de fluorescência aprimorada. Portanto, a localização subcelular dos EVs fluorescentes rotulados dentro de uma célula pode ser precisamente determinada adquirindo múltiplas imagens empilhadas de z dos EVs e das organelas celulares circundantes.
Além disso, a reconstrução 3D e o processamento pós-dados podem fornecer mais informações sobre o posicionamento dos EVs internalizados, superficiais e flutuantes. Ao utilizar esses processos em conjunto com as imagens de células vivas de lapso de tempo oferecidas pela microscopia confocal, o nível de absorção de EV pode ser avaliado com precisão, e o rastreamento em tempo real da captação de EV também é possível. Além disso, a análise do tráfico de EV pode ser realizada por meio de microscopia confocal, avaliando a co-localização de EVs com organelas, um primeiro passo para determinar como os EVs internalizados estão envolvidos na função intracelular. Este protocolo descreve a metodologia para a realização de um ensaio de absorção de EV usando o dispositivo microfluido baseado em nanofiliação17,26, microscopia confocal e análise pós-imagem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um ensaio de absorção de EV baseado em imagens de fluorescência 3D via microscopia confocal fornece uma metodologia eficiente e uma análise sensível. Esta rotulagem fluorescente de EV facilita a visualização de EVs e executa com sucesso um ensaio preciso de absorção de EV. Métodos anteriores para rotular EVs e remover o corante residual foram relatados removendo a precipitação usando ultracentrifugação (UC); no entanto, a UC pode co-precipitar EVs, e o corante imobilizado pode levar a um sinal <sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo NCI Grant Nos. U54CA143803, CA163124, CA093900 e CA143055 a K. J. P. Esta pesquisa foi apoiada por uma bolsa do Korea Health Technology P&D Project através do Korea Health Industry Development Institute (KHIDI), financiado pelo Ministério da Saúde & Bem-Estar, República da Coreia (número de subvenção: HI19C1122). Trabalho de J. Kim e Y.-K. Cho foi apoiado pelo Institute for Basic Science (IBS-R020-D1), financiado pelo Governo coreano. Os autores agradecem aos atuais e antigos membros do Instituto Urológico Brady, especialmente membros do laboratório Pienta-Amend, pela leitura crítica do manuscrito.
Materials
| Alexa Fluor 488 anti-human CD63 Antibody | Biolegend | 353038 | Fluorescent dye conjugated EV-specific antibody |
| CellTracker Orange CMTMR Dye | Thermo Fisher Scientific | C2927 | Live cell (cytoplasm) fluoresent labeling reagent |
| CFI Apo Lambda S 40XC WI | Nikon | MRD77400 | Objective for confocal imaging, NA=1.25 |
| CFI Plan Apo VC 20X | Nikon | MRD70200 | Objective for confocal imaging, NA=0.75 |
| Exodisc | Labspinner Inc. | EX-D1001 | A nano-filtration based microfluidic device for EV isolation |
| ExoDiscovery | Labspinner Inc. | EX-R1001 | Operation device for Exodisc |
| Exosome-depleted FBS | Thermo Fisher Scientific | A2720801 | Nutrient of cell culture media for PC3 cell line derived EV collection |
| Fetal bovine serum (FBS) | VWR | 1500-500 | Nutrient for cell cultivation |
| Goat Anti-Mouse IgG H&L preadsorbed | abcam | ab7063 | Mouse IgG antibody for negatvie control of EV labeling |
| Ibidi USA U DISH μ-Dish 35 mm | Ibidi | 81156 | Culture dish for confocal imaging |
| Imaris 9.7.1 | Oxford Instruments | 9.7.1 | Post-image processing software |
| Incubator System+ CO2/O2/N2 gas mixer | Live Cell Instrument | TU-O-20 | Incubator system for live cell imaging |
| Nikon A1 HD25 / A1R HD25 camera | Nikon | NA | Camera for confocal imaging |
| Nikon Eclipse Ti microscope | Nikon | NA | Inverted microscope for confocal imaging |
| NIS-Elements AR 4.50.00 | Nikon | 4.50.00 | Image processing software for Nikon microscope |
| NTA, NanoSight NS500 | Malvern Panalytical | NS500 | Measurement device for EV concentration |
| OriginPro 2020 | OriginLab | 9.7.0.185 | Graphing software |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | Antibiotics for cell cultivation |
| RPMI 1640 | Thermo Fisher Scientific | 21875034 | Cell culture media for PC3 cell line cultivation |
| SYTO RNASelect Green Fluorescent cell Stain – 5 mM Solution in DMSO | Thermo Fisher Scientific | S32703 | RNA staining fluorescent dye for the EV labeling |
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