用于细胞外囊泡分析的冻裂-断裂电子显微镜

摘要

我们提出了一种用于分离和冷冻压裂来自癌性尿路上皮细胞的细胞外囊泡（EV）的方案。冷冻断裂技术揭示了EV的直径和形状，并且作为一个独特的特征 ，EV膜的内部组织。这些对于了解电动汽车如何与受体膜相互作用非常重要。

摘要

细胞外囊泡（EV）是从细胞释放到细胞外空间的膜限制结构，与细胞间通讯有关。EV由三个囊泡种群组成，即微囊泡（MV），外泌体和凋亡体。EV的限制膜与受体细胞的相互作用至关重要，这可能导致生物活性分子转移到受体细胞，从而影响它们的行为。冷冻-断裂电子显微镜技术用于研究生物膜的内部组织。在这里，我们提出了一种从培养的癌性尿路上皮细胞中分离MV的方案，以及通过快速冷冻，断裂，制造和清洁复制品的步骤以及MV的冷冻断裂，并用透射电子显微镜分析它们。结果表明，分离方案产生均匀的EV群体，其对应于MV的形状和大小，膜内颗粒主要存在于限制膜的原生质面中。因此，冷冻断裂是表征MV的直径，形状和膜蛋白分布的首选技术。所介绍的协议适用于其他电动汽车群体。

引言

细胞外囊泡（EV）是从细胞释放到细胞外空间的膜受限囊泡。EV的三个主要群体是外泌体，微囊泡（MV）和凋亡体，它们的起源，大小和分子组成不同^1，2，3。EV的组成反映了供体细胞的分子谱及其生理状态（即健康或患病）^4，5。这使得电动汽车在人类疾病的诊断，预后和治疗方面具有巨大的潜力，并且它们在个性化医疗中具有广阔的医疗应用^6，7，8。

电动汽车是细胞间通信的介质。它们含有生物活性蛋白，脂质和RNA，它们干扰受体细胞中的生物过程并可以改变其行为^9，10。然而，EV限制膜的组成对于与受体细胞膜的相互作用至关重要。

电动汽车的来源是体液和条件培养基。为了隔离EV群体，必须使用合适的隔离技术。例如，在10，000×g下离心产生以MV为单位富集的分数，而离心力为≥100，000×g 产生在外泌体中富集的分数^11，12。电动汽车的分离部分必须在纯度，尺寸和形状方面进行验证。为此，国际细胞外囊泡学会2018推荐了三类高分辨率成像技术:电子显微镜，原子力显微镜和基于光学显微镜的超分辨率显微镜¹³。这些技术都不能提供有关EV膜内部的信息。

冻裂电子显微镜是一种打破冷冻标本以揭示其内部结构的技术，特别是提供膜内部的视图。样品制备的步骤是（1）快速冷冻，（2）压裂，（3）制作复制品，和（4）清洗复制品¹⁴。在步骤1中，样品（可选地）化学固定，用甘油冷冻保护，并在液体氟利昂中冷冻。在步骤2中，冷冻试样在冷冻断裂单元中断裂，该单元暴露膜双层的内部。在步骤3中，暴露的断裂面被铂（Pt）和碳（C）遮蔽以产生复制品。在步骤4中，有机材料被除去。在透射电子显微镜（TEM）中分析复制品。为了准确解释显微照片，必须遵循其正确方向的指南^14，15。简而言之，显微照片中阴影的方向是参考，用于定位显微照片（即确定Pt阴影的方向），从而确定凸形和凹形（图1）。通过冷冻压裂膜分裂膜可以看到两个称为膜双层断裂面的内部视图:原生质面（P面）和外质面（E面）。P面代表与细胞原生质相邻的膜小叶，而E面代表与细胞外空间相邻的膜小叶。整体膜蛋白及其关联被视为突出的膜内颗粒^14，15。

在这里，目标是应用冷冻断裂技术来表征MV的尺寸，形状和限制膜的结构。在这里，我们提出了一种用于分离和冷冻压裂来自人类浸润性膀胱癌性尿路上皮细胞的MV的方案。

研究方案

1. 癌性尿路上皮细胞的培养和EV的分离

注意:提出了从人浸润性膀胱癌尿路上皮细胞（T24）细胞系获得EV的方案。然而，必须优化培养条件以使用其他细胞类型。

1. 将密度为3×10 4个细胞/ cm^2的T24细胞放入三个烧瓶中（生长表面为75 cm²），并开始在CO 2培养箱中在37°C和5%CO₂下培养3天（图2A）。
   1. 在A-DMEM和F12的1:1（v / v）混合物中使用T24细胞培养基，并补充5%胎牛血清（FBS），4mM谷氨酰胺，100mg / mL链霉素和100 U / mL青霉素。
      注意:以下隔离产生在MV中丰富的EV。在开始分离之前，用光学显微镜检查细胞以确认活力和汇合度（图2B）。当T24细胞汇合度为70%时，开始从条件培养基中收集EV。
2. 用移液管从烧瓶（T75）中用MVs收集培养基到锥形离心管中（图2C）。在4°C下以300× g 离心10分钟（图2D）。
3. 小心地将上清液收集到带有移液管的新离心管中（图2E）。
4. 将上清液在4°C下以2，000× g离心20分钟。
5. 用移液管小心地将上清液收集到新的离心管中。
6. 在4°C下以10，000× g 离心40分钟。 寻找管子底部有白色颗粒的存在。
   注:如有必要，请更换离心机转子以达到所需的重力。EV颗粒在离心管底部被视为白色颗粒（图2F）;标记其位置以避免在移液过程中丢失沉淀（图2G）。
7. 用移液管小心地丢弃上清液。向沉淀中加入1.5 mL PBS并重悬含有MV的沉淀。
8. 在4°C下以10，000× g 离心40分钟，并在管底部寻找白色沉淀的存在。
   注意:EV颗粒在离心管底部被视为白色斑块;标记其位置以避免在移液过程中丢失沉淀。
9. 用移液管小心地丢弃上清液。轻轻地将固定剂2.5%戊二醛加入0.1M二甲酸钠缓冲液（pH 7.2）中。在4°C下静置20分钟（图2H）。
   注意:戊二醛和二甲砷酸钠是有毒的。在通风橱中工作，戴上防护手套，并适当地丢弃它们。
10. 用移液管小心地取出固定剂。向沉淀中加入洗涤缓冲液（0.1M二甲砷酸钠缓冲液）。在4°C下静置10分钟，不要重悬沉淀。

2. 电动汽车的冷冻

注意:在冷冻之前，首先用甘油冷冻保护样品。

1. 制备0.1M二甲酰亚酸钠缓冲液。除去洗涤缓冲液，在0.1M卡卡代酸缓冲液中加入50μL30%甘油。轻轻地重悬EV以使溶液均匀。在4°C下孵育30分钟。
2. 用氯仿超声浴中的中心凹坑清洁铜载体5分钟（图3A）。如果使用多个样品，请风干它们并用颜色标记它们（图3B）。使用前，请将载体存放在干燥、干净的地方（例如，在培养皿中的镜头纸上）。请勿徒手触摸托架。
   1. 准备移液器，溶液，滤纸，镊子，立体显微镜，带有氟利昂和液氮（LN₂）的杜瓦瓶，金属棒和冷冻管。用LN₂冷却它。
      注意:在处理LN₂ 和冷却的氟利昂时，请穿戴防护设备并相应地工作。
3. 在冻结之前再次重悬电动汽车。避免形成气泡。
   注:快速执行步骤2.4-2.7。
4. 在立体显微镜下工作（图3C）。将1.5-1.7μL样品转移到铜载体的中心凹坑中，使凸起的液滴高于铜载体边缘，同时不会将样品溢出边缘（图3D）。如果溢出，请使用滤纸干燥载体的外环。
5. 将凝固的氟利昂与金属棒混合以再次液化（图3E）。
6. 用镊子抓住铜载体的外圈，并将其浸入冷却的氟利昂中，轻轻摇动镊子8秒（图3F）。8秒后，快速将载体转移到另一个装满LN₂的杜瓦瓶中。
7. 立即进行压裂或将样品储存在LN₂中。在后一种情况下，标记冷冻管并通过将其浸入LN₂ 中来冷却小瓶和镊子尖端（图3G）。在LN₂下，将冷冻的铜载体收集到小瓶中，将其关闭，并将其储存在LN₂ 容器中（图3H）直到冻结破裂。

3. EV的断裂和复制品的制作

注意:根据制造商的操作说明准备冷冻压裂装置。（图 4A）。清洁设备的腔室。将铂 （Pt/C） 和碳 （C） 喷枪分别以 45° 和 90° 的角度放置（图 4B）。

1. 启动单元真空系统。当压力达到 6.6 × 10⁻² Pa（5 × 10⁻⁴ 托）时，将单元室冷却至 −150 °C。
2. 使用干镊子将带有冷冻样品的铜载体转移到冷冻压裂装置中（图4C）。使用低温透射仪或快速工作，以避免样品解冻和冰晶沉积。将载体固定在样品台上。
3. 等到真空再次达到6.6×^10-2 Pa（5×^10-4 托），然后将刀温设置为-100°C（图4D）。
4. 等到真空达到 1.0 × 10⁻³ Pa （8 × 10⁻⁶ 托）。
5. 用双筒望远镜观察样品并小心地接近刀（图4E）。
6. 通过打开刀的电动运动开始切片样品（图4F），并切片直到样品表面光滑（图4G）。
7. 对于压裂，关闭切刀的电动运动，然后缓慢手动控制切刀，从而压裂样品（图4H）。为了保护断裂表面在阴影之前不形成冰晶和碎屑，请将刀移到断裂样品上方。
8. 继续以45°的Pt阴影（图4I，J）。
   1. 准备秒表和/或打开冷冻压裂装置上的石英晶体监测器，这将可以监督样品上铂的厚度。在石英晶体监视器上测量的Pt层的推荐厚度为2.5 nm，对应于给定高张力和电流下的4秒阴影（即Pt阴影速度为0.63 nm / s）。
   2. 在开始阴影之前，将刀从样品上移开。在 Pt/C 喷枪上施加高张力 （1，600 V），并将电流增加到 60 mA。Pt的火花应该出现，并且应该开始遮蔽样品。此时，开始4秒倒计时和/或观察并定位石英晶体监视器上Pt的位置。
      注意:C层的推荐厚度为2.5 nm，相当于在给定的高张力和电流下10秒的阴影。
   3. 当获得所需的Pt厚度时，关闭电流和高张力。
9. 以90°进行C阴影（即C阴影的速度为0.25 nm / s）。
   1. 在C枪上施加高张力（1，900 V），将电流增加到90 mA，并且应该出现C的火花并开始阴影样品;在那一刻，开始10秒倒计时。当获得所需的C厚度时，关闭电流和高张力。

4. 清理复本和复本分析

1. 使用样品表中的铜载体，并用镊子将它们转移到12孔瓷板中室温下的蒸馏水中（图4K）。复制品将漂浮在水面上，而载体下沉（图4L）。
2. 用钢丝环将复制品从蒸馏水中转移到含有次氯酸钠的孔中。盖上盖子，在室温下在通风橱中放置过夜。
   注意:次氯酸钠有毒。在通风橱中工作，戴上防护手套，并适当地丢弃它们。
3. 将复制品转移到ddH₂O并洗涤30分钟。重复3次。
4. 将带有线环的复制品转移到网格铜TEM网格（例如，方形或蜂窝100+网格）。风干网格2小时，然后将其储存在网格存储盒中直到显微镜检查。
   注意:通常，网格可以在黑暗，干燥的室温条件下储存数月。
5. 使用TEM显微镜对复制品进行成像并获得显微照片。
   1. 为此，请插入带有复制品的TEM网格，并根据制造商的操作手册启动TEM成像。可在 80 kV 或 100 kV 下工作。
6. 使用TEM上的相机检查样品并以较低和较高的放大倍率获取显微照片。
7. 分析中小型车的显微照片。要测量中压直径，请使用斐济/ImageJ软件¹⁶。根据Hallett等人^的说法，MVs的直径是显微照片上测量值的4/π倍。

结果

在差异离心后，从癌症尿路上皮T24细胞的条件培养基中分离MV。根据协议，EV级分在10，000× g 下离心后首次检测到，当时它被视为白色颗粒（图2G）。

接下来，根据上述协议对EV进行处理，并在TEM下进行检查。Pt/C 阴影产生（图 4L）相对较大的副本，这些副本在清理步骤中经常分解成较小的碎片。在TEM网格上挑选大型复制品及其较小的碎片，并在显微镜下进行比较。结果表明，无论复制品表面的大小如何，其质量没有差异，因此它们都可以使用。低放大倍率检查显示复制品的区域具有i）均匀的表面（背景），ii）凹凸的球形轮廓（囊泡），以及iii）受损表面的区域（伪影; 图 5A）。典型的伪影被视为破裂，褶皱和不规则的变暗阴影（即标本上冰晶沉积物的复制品）。同样重要的是要注意，没有看到细胞碎片或细胞器，证实了样品的纯度（图5B）。

分离出的水疱通常以三个或更多个的簇聚集或单独分布（图5B）。囊泡是球形的，这表明在分离，固定和冷冻过程中可以很好地保存超微结构（图5C）。偶尔看到的"平球"和细长囊泡（图5C）可能是制备的伪影，并且不包括在随后的囊泡直径测量中。可见光轮廓的直径为238.5 nm（±8.0 nm，n = 190），考虑到Hallett等人提出的校正^因子，其对应于平均囊泡直径304 nm（±10 nm; 图 5D）。尺寸与100 nm至1000 nm之间的MV直径范围相关，证明了所用隔离方案的有效性。囊泡的图像以及直径测定明确证实分离物中的EV富含MV。

对复制品的分析揭示了MV限制膜的P面和E面的组织。观察到MV为凹凸圆形（图5C，E，F），反映了断裂平面。凸起的形状代表E面（即膜的断裂外质小叶; 图 5E）。电动汽车的外质面具有光滑，均匀的外观。凹面形状对应于P面（图5F）。在P面中，在光滑的膜内看到一些突出的膜内颗粒（图5C，F）。这意味着从癌症尿路上皮T24细胞分离的MV仅含有少量的膜蛋白。

图1:冷冻破裂后膜测定的示意图 （A）微囊泡芽从质膜进入细胞外空间。（B）微囊泡被P-和E-膜小叶限制，直到冷冻分级，其分裂小叶并暴露小叶的内部视图，称为骨折面。（C）Pt / C阴影后，可以识别出两个骨折面:具有面向细胞质（原生质）的凸形的原生质面（P面）和具有面向细胞外间隙的凹形的外质面（E面）。 图 1 是使用 Biorender.com 创建的。 请点击此处查看此图的大图。

图2:在_{CO 2}培养箱中生长的EV的分离（A）用（B）光学显微镜检查其在MV分离之前的活力和汇合度。（C）收集细胞培养基，（D）每次收集上清液时以300×g和2，000×g（E）连续离心。（F，G）在10，000×g离心后，可见并标记出指示沉淀的白色斑块。除去上清液，并将（H）固定剂小心地添加到沉淀中而不重复使用。请点击此处查看此图的大图。

图3:电动汽车的冷冻 （A）带有中心凹坑的风干清洁铜载体在加工前（B）标记。将微囊泡重悬于甘油中以获得均匀的样品，并将（C）添加到立体显微镜下库珀载体的中心坑中。（D）必须添加一定体积的样品，使其在中心凹坑中形成凸起的液滴。（E）在冷冻前立即将LN₂冷却的氟利昂与金属棒混合以液化氟利昂。（F）通过将样品浸没在氟利昂中冷冻，然后（G）将其转移到LN₂中。（H）带有冷冻样品的载体可以收集到冷冻管中并储存在LN₂ 杜瓦瓶中。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:冷冻压裂和制作复制品 （A） 冷冻压裂装置。单元室（B）内有铂（Pt）和碳（C）电子枪，一把刀和样品台。（C）为了开始压裂，将带有样品的载体转移到样品台上，（D）冷却冷冻压裂装置，并建立真空。（E）切口是通过电动（F）移动刀完成的，但压裂最好是手动完成的。（G）切片前的样品和（H）压裂后的样品。（I）压裂后立即制作复制品。（J）在此过程中，Pt在样品上被阴影覆盖。铂金阴影被视为室内的明亮光线（火花）。（K）将样品载体收集到装满水的瓷井中。（L）复制品（箭头）在清洗步骤中漂浮在次氯酸钠溶液中。 请点击此处查看此图的大图。

图5:冻裂和Pt / C阴影MV的电子显微照片 （A）冷冻断裂和阴影EV颗粒的概述（i）在较低放大倍率下。均匀的表面是背景（ii），明亮的区域是复制品中的破裂（iii），较暗的区域是复制品的褶皱（星号），不规则的较暗阴影是由于冰晶（两个星号）。（B）具有凹面和凸面的圆形EV集群。（C） EV的高放大倍率。在EV膜P面的凸形骨折中，可以看到膜内颗粒（箭头）和光滑表面的斑块（箭头）。发现具有细长（星形）和平球形（两颗星）的细胞外囊泡。（D）根据Hallett等人提出的尺寸测量，分离的尿路上皮MV的平均直径为304nm±^10nm。数据以平均值表示±SEM.（E，F）MV的E面和P面，图例:箭头=P面中的膜内颗粒，环绕箭头=Pt / C阴影的方向。比例尺:A = 10 μm，B-F = 400 nm。 请点击此处查看此图的大图。

讨论

在开始下游分析（如"组学"研究或功能研究）之前，MV或任何其他孤立的EV群体的表征至关重要^11，18。本文通过离心分离来自人浸润性膀胱癌尿路上皮T24细胞的EV，并按照提供的冷冻骨折电子显微镜分析方案，我们证明分离的部分富集在MVs^11，13中。MV的分离没有细胞碎片或细胞器，证实了成功的分离和纯化方案。

化学固定和冷冻的结合是协议的关键步骤，保留了EV¹²的球形。但是，在通过冻结压裂¹⁷评估EV直径时需要采取预防措施。由于裂缝随机穿过样品，因此中压膜被分成赤道平面和非赤道平面。为了提供一种分析冻结断裂和阴影标本图像的严格方法，Hallett等人表明，平均囊泡直径是图像¹⁷上水泡直径实际大小的4/π倍。考虑到这一点，来自T24电池的EV的直径为304 nm，这符合MV的理论尺寸分布范围100-1000 nm¹⁹。

冷冻压裂可以补充负染色，这是用于可视化EV的最广泛使用的TEM技术。通过负染色，样品通常被化学固定，干燥并附着在TEM网格上，并与铀酰溶液形成对比。如果没有支持媒体，电动汽车往往会崩溃，这使它们具有杯形外观。通过冷冻压裂，我们表明MV是球体，它在细胞外空间和体液中反映了它们的形状¹²。因此，我们的结果也与冷冻超薄部分²⁰中对EV的观察结果一致。

冷冻断裂技术的一个关键优势是它能够解决限制膜的内部组织，这是了解EV如何靶向受体膜并与受体膜相互作用的关键因素。在这里，我们分析了MV的膜，但冷冻压裂可以揭示任何其他EV群体的膜组织。MV由质膜萌芽形成;因此，质膜蛋白和蛋白簇有望在MV膜中发现。我们的结果支持来自T24细胞的MV含有膜内颗粒，呈现完整的膜蛋白。基于E面和P面之间的颗粒分布，可以合理地期望在MV中观察到的颗粒是跨膜蛋白尿素蛋白，其是尿路上皮细胞特异性^21，24。观察到的颗粒是稀疏的，这与先前的研究报告在尿路上皮癌变过程中尿素减少^21，22，23一致。然而，为了进一步研究MV膜的蛋白质组成，建议使用冷冻骨折复制免疫标记（FRIL）技术。FRIL是所提出的冷冻断裂技术的升级，致力于通过抗体识别^24，25揭示复制品中蛋白质的身份。综上所述，冷冻断裂技术是一种电子显微镜技术，适用于表征EV限制膜，以及分离的EV级分的形状，尺寸和纯度。所提出的方案也可用于评估其他孤立的EV人群;因此，冷冻压裂技术值得纳入国际细胞外囊泡学会指南，用于探索EV限制膜组织的研究。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
A-DMEM	ThermoFisher Scientific, USA	12491015
Balzers freeze-fracture device	Balzers AG, Liechtenstein	Balzers BAF 200
Centrifuge	Eppendorf, Germany	model 5810R
CO2 incubator HeraCell	Heraues, Germany
Copper carriers	Balzers	BB 113 142-2	100+ mesh
Copper grids	SPI, United States	2010C
Culture flask T75	TPP, Switzerland		growing surface 75 cm2
F12 (HAM)	Sigma-Aldrich, Germany	21765029
FBS	Gibco, Life Technologies, USA	10500064
Glazed Porcelain Plate 6 Well	Fischer Sientific, United States	50-949-072
Glycerol	Kemika, Croatia	711901	final concentration 30 % (v/v)
Glutaradehyde	Serva, Germany	23114.01	final concentration 2.5 % (v/v)
GlutaMAX	Gibco, Life Technologies	35050-079	final concentration 4 mM
Penicillin	Gibco, Life Technologies	15140163	final concentration 100 U/ml
Phase-contast inverted microscope	Nikon, Japan	model Eclipse
Rotor	Eppendorf, Germany	A 4-44
Rotor	Eppendorf, Germany	F-34-6-38
Serological pipetts	TPP, Switzerland		50mL volume
Sodium hypochloride solution in water	Carlo Erba, Italy	481181
Stereomicroscope	Leica, Germany
Streptomycin	Gibco, Life Technologies	35050038	final concentration 100 mg/mL
Transmission electron microscope	Philips, The Netherlands	model CM100	working at 80 kV
Tweezers	SPI, United States