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【Nature子刊】改進(jìn)與優(yōu)化基于NTA的EV單顆粒熒光標(biāo)記及檢測方法

閱讀:317      發(fā)布時(shí)間:2024-9-26
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細(xì)胞外囊泡 (EV) 在過去十年中取得了快速發(fā)展,在其起源、疾病相關(guān)性以及診斷和治療等方面已有諸多的發(fā)現(xiàn)與報(bào)道。在這些研究領(lǐng)域中,對 EV 的全面表征至關(guān)重要,需要涵蓋EV單顆粒及整體分析,例如粒度,電位,濃度,粒徑分布,以及檢測與 EV 相關(guān)的特征蛋白,例如 CD9、CD63、CD81、Alix 和 TSG1012-5。如果想對EV的表型進(jìn)行更深入的分析,則須利用Western blotting、ELISA 或單囊泡/整體免疫標(biāo)記等方法進(jìn)行EV表型分析。


目前,還沒有一種方法可以將單個(gè)囊泡上的蛋白質(zhì)檢測與整體粒度分布和濃度測量相結(jié)合。納米顆粒追蹤分析 (NTA) 是一種應(yīng)用于表征 EV 粒度分布的技術(shù)。NTA 基于斯托克斯-愛因斯坦方程,通過追蹤單個(gè)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)來確定單個(gè) EV 和 EV 群體的尺寸。NTA 利用激光照射顆粒,理論上可以實(shí)現(xiàn)熒光染料的特異性激發(fā)和檢測熒光標(biāo)記的 EV (NTA-FL)。然而,目前只有少數(shù)研究對 NTA-FL 進(jìn)行了嚴(yán)格的評估,并且這些研究依賴于非典型 EV 蛋白靶標(biāo)或非特異性標(biāo)記的免疫標(biāo)記


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美國塔夫斯大學(xué) (Tufts University) 的研究人員們報(bào)道了一種熒光免疫標(biāo)記單個(gè) EV 用于 NTA-FL 的優(yōu)化算法,使得基于NTA的單囊泡免疫標(biāo)記和檢測與粒度分布和濃度分析更為精準(zhǔn)。該算法可以有效地提高NTA檢測結(jié)果可信度,為更深入研究 EV 的功能和機(jī)制提供了強(qiáng)有力的工具


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在前期研究中,研究人員們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的利用NTA進(jìn)行EV亞型分析的熒光/散射光比對方法會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離的情況。通常情況,熒光 (FM) 曲線所圍繞的面積與散射光 (LSM) 曲線所圍繞成的面積的比值可以表示EV的純度。但是這些研究人員們在分析過程中發(fā)現(xiàn),在測試1,2,4中(表1,圖1),F(xiàn)M(藍(lán)線)與LSM(紅線)的比值大于100%,表明EV純度大于100%,這顯然是不合理的,這種測試結(jié)果表明:

1. 熒光檢測過程中,可能出現(xiàn)了大量的假信號。

2. NTA 系統(tǒng)的技術(shù)限制導(dǎo)致 LSM 無法檢測到非常小的 EV 或折射率低的其他顆粒。散射光模式下EV檢測不全,有部分EV數(shù)據(jù)沒有檢測到,使得LSM面積偏小,從而導(dǎo)致比值大于100%。

3. 研究人員還發(fā)現(xiàn),F(xiàn)M模式在50 nm以下的區(qū)域還有明顯的信號峰出現(xiàn),而對比LSM模式,其在50 nm以下信號基本衰減為0,這可能也是造成比值大于100%的原因之一。具體而言,這可能是游離的熒光分子沒有充分去除,以及體系中游離的蛋白質(zhì)被熒光分子標(biāo)記,造成小尺寸分區(qū)中的熒光信號增強(qiáng)。

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表1 不同樣本的熒光面積(FM)與散射光面積(LSM)比值
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圖1 不同樣本在FM模式及LSM模式下NTA測試結(jié)果


為了解決這種情況,研究人員們提出了兩種評估方法:

第一種方法是傳統(tǒng)的計(jì)算方法,即計(jì)算樣本中大于 50  nm的顆粒數(shù)量,并比較 FM 和 LSM 中的顆粒數(shù)量,得出 FM 與 LSM 之間的比例。(圖2b,c)

第二種方法是優(yōu)化后的計(jì)算方法,計(jì)算兩種方法得到的粒度分布曲線之間的重疊區(qū)域,并將該區(qū)域與 LSM 中大于 50 納米的顆??倲?shù)量進(jìn)行比較,得出重疊區(qū)域比例。(圖2d)

在研究過程中,研究人員著重強(qiáng)調(diào)了他們對顆粒粒徑選取的取舍。為了更精確地分析 EV,研究人員將分析范圍縮小到 50-200 納米。之所以選擇這個(gè)范圍,是因?yàn)?/span>大多數(shù) EV 的尺寸都在這個(gè)范圍內(nèi)。此外,LSM對小于 50 納米的顆粒檢測能力有限,而大于 200 納米的顆粒則可能并非 EV。因此,將分析范圍縮小到 50-200 納米可以有效地排除其他類型的顆粒,提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性

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圖2 基于NTA的免疫標(biāo)記算法示意圖



基于這種優(yōu)化算法,研究人員對上述6組樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)結(jié)果表明EV純度都回落至小于100%。


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表2 算法優(yōu)化后不同樣本的熒光面積 (FM) 與散射光面積 (LSM) 比值(SA)



上述算法利用量子點(diǎn)標(biāo)記和 NTA-FL 技術(shù),通過比較熒光模式 (FM) 和散射光模式 (LSM) 的結(jié)果,可以有效識別和分析在單個(gè)囊泡層面的不同亞型的 EV,并提供更精確的粒度分布信息。然而,盡管NTA-FL技術(shù)和優(yōu)化算法可以有效提高EV亞型分析的準(zhǔn)確性,但也必須認(rèn)識到NTA技術(shù)在底層原理上存在一些局限性。NTA在檢測非常小的EV或粒徑分布寬樣本(尤其是EV樣本)時(shí)存在一定的困難。因此,雖然NTA-FL技術(shù)和優(yōu)化算法可以提高粒度分布和濃度分析的準(zhǔn)確性,但NTA的技術(shù)瓶頸并未得到克服,后續(xù)的算法優(yōu)化以及熒光標(biāo)記方法能否在錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上得到正確的結(jié)果仍需謹(jǐn)慎對待,以免過分依賴這一技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)。

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NanoCoulter納米粒度儀采用庫爾特原理,打破了光學(xué)原理的局限性,可以精準(zhǔn)分析每個(gè)過孔顆粒,實(shí)現(xiàn)真正意義上的單顆粒檢測,對粒徑分布廣的多分散系樣本有更好的測量效果。且不受樣本的折射率、吸光度等光學(xué)性質(zhì)影響,數(shù)據(jù)不擬合,最真實(shí)的反應(yīng)樣本狀態(tài)。

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