納米流式檢測(cè)裝置在解答EVs膜染料標(biāo)記中常見(jiàn)問(wèn)題中的應(yīng)用

細(xì)胞外囊泡(EVs)作為疾病生物標(biāo)志物和藥物遞送載體，具備巨大的臨床潛力，已然成為當(dāng)今生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的“當(dāng)紅辣子雞”。細(xì)胞種類(lèi)、細(xì)胞狀態(tài)以及分泌途徑的多樣性，從細(xì)胞上清或體液中分離得到的EVs在物理性質(zhì)和分子組成上具有高度的個(gè)體差異性和多樣性，此外，由于絕大多數(shù)EVs粒徑小于200 nm且缺乏通用的標(biāo)志蛋白，因此如何在單顆粒水平對(duì)其進(jìn)行分析而揭示其異質(zhì)性一直是亟待突破的瓶頸問(wèn)題。磷脂雙層膜結(jié)構(gòu)作為EVs的固有特性，基于親脂性膜染料(lipophilic membrane dyes, LMDs)的EVs熒光標(biāo)記已成為一種普適性策略，廣泛應(yīng)用于熒光顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)等單顆粒EVs分析表征中。此外，親脂性膜探針(lipophilic membrane probes, LMPs)因其對(duì)EVs脂膜的嵌入也被廣泛用于EVs的捕獲和富集。然而，不管是基于染料還是探針對(duì)于EVs脂膜的標(biāo)記性能均尚未有系統(tǒng)的考察報(bào)道，譬如：
01 LMDs是否能夠標(biāo)記上所有的EVs？
02 LMDs在緩沖液中自團(tuán)聚形成的熒光膠束顆粒對(duì)EVs準(zhǔn)確檢測(cè)的干擾情況？
03 LMDs是否也同樣會(huì)標(biāo)記EV樣本中的常見(jiàn)污染物——脂蛋白，以及該標(biāo)記對(duì)EV樣本分析的影響？

2023年7月31日，廈門(mén)大學(xué)顏曉梅教授課題組在Journal of Extracellular Vesicles在線(xiàn)發(fā)表題為"Quantitative assessment of lipophilic membrane dye-based labelling of extracellular vesicles by nano-flow cytometry"的研究論文(JEV, 2023, e12351), 報(bào)道了該團(tuán)隊(duì)利用納米流式檢測(cè)裝置(nano-flow cytometer, nFCM)對(duì)多種LMDs和LMPs標(biāo)記EVs的效果進(jìn)行定量評(píng)估，對(duì)EVs膜染料標(biāo)記中常見(jiàn)的問(wèn)題給出了答案。

如圖1所示，EV樣品與LMD稀釋液進(jìn)行共孵育，標(biāo)記完成后超離去除游離的LMDs，隨后在納米流式上進(jìn)行分析。如果一個(gè)顆粒只有散射光信號(hào)沒(méi)有熒光信號(hào)，它就被認(rèn)為是未標(biāo)記的EV (Unlabeled EV)。再結(jié)合EV樣本的純度信息，即可通過(guò)熒光顆粒占總顆粒的比例，反映出LMD對(duì)EVs的標(biāo)記效率。

圖1. 脂膜染料標(biāo)記EVs及檢測(cè)流程示意圖
 

該研究選取了PKH67、PKH26、Di-8-ANEPPSF和Dil四種最常見(jiàn)的膜染料，分別對(duì)人工合成的脂質(zhì)體、細(xì)胞上清和血漿等不同來(lái)源的EVs進(jìn)行標(biāo)記。首先驗(yàn)證了四種膜染料對(duì)脂質(zhì)體的標(biāo)記效率均接近90%，這與表面活性劑Triton X-100處理分析純度（處理方法參見(jiàn)往期文章：外泌體純不純，一聞就知）的結(jié)果(93.2%)高度吻合，這也就說(shuō)明四種LMDs對(duì)脂質(zhì)體的標(biāo)記不具有選擇性。

細(xì)胞上清來(lái)源EVs的LMD標(biāo)記
首先采用表面活性劑處理的方法對(duì)超速離心所得HCT-15細(xì)胞來(lái)源的EV樣本純度標(biāo)定為88.3%，之后經(jīng)不同濃度的LMDs（1、2、4和8 mM）的染色標(biāo)記。結(jié)果表明PKH67和PKH26染料僅能標(biāo)記約60%-80%的細(xì)胞培養(yǎng)上清來(lái)源EVs，而di-8-ANEPPS和高濃度的DiI可以實(shí)現(xiàn)樣本中EVs的高效且均勻的熒光標(biāo)記，其中di-8-ANEPPS的標(biāo)記效率接近100%，而DiI的標(biāo)記效率為70%-100% （圖2）。
 

圖2. HCT-15細(xì)胞來(lái)源EVs的LMDs膜標(biāo)記效率分析

膜染料自身團(tuán)聚
由于LMDs自身化學(xué)結(jié)構(gòu)的特性，易發(fā)生自團(tuán)聚而形成膠束顆粒。在此對(duì)所選擇的四種LMDs（PKH67、PKH26、Di-8-ANEPPSF、Dil）的自團(tuán)聚情況進(jìn)行了考察，以探索形成膠束對(duì)于EVs分析的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著LMDs濃度從 1 mM升高至8 mM的過(guò)程中，自團(tuán)聚顆粒數(shù)增加但其顆粒粒徑和熒光強(qiáng)度基本不變；且PKH67和PKH26相較于di-8-ANEPPS和DiI更容易形成自團(tuán)聚膠束，但是各自染料的最佳染色濃度下，自團(tuán)聚產(chǎn)生的膠束顆粒數(shù)量較低，對(duì)整體結(jié)果影響較低。
 

圖3. PKH67、PKH26、di-8-ANEPPS和DiI的自團(tuán)聚情況評(píng)估

LMDs對(duì)血漿來(lái)源EVs的標(biāo)記
血漿中大量脂蛋白和乳糜顆粒的存在，易導(dǎo)致來(lái)源于血漿的EV（PFP-EVs）樣本中通常會(huì)存在脂蛋白和其他蛋白團(tuán)聚體的污染。作者在此選擇與EVs粒徑和密度均高度重疊的極低密度脂蛋白（very-low-density lipoprotein, VLDL）作為研究模型來(lái)評(píng)估LMD對(duì)常見(jiàn)污染物的標(biāo)記（圖4）。四種LMDs對(duì)幾乎所有的VLDL顆粒均可進(jìn)行標(biāo)記，這也說(shuō)明了脂蛋白等雜質(zhì)的存在會(huì)對(duì)依賴(lài)LMD標(biāo)記的EV分析產(chǎn)生干擾。不同健康志愿者PFP-EV樣本的純度存在一定差異，平均為73%。結(jié)果顯示PKH67和PKH26染料僅能夠標(biāo)記約40-70%的PFP-EVs，且過(guò)量的PKH26會(huì)對(duì)EVs的結(jié)構(gòu)造成損害。Di-8-ANEPPS的標(biāo)記比例為80%，高于EV樣本的純度，推測(cè)是EV樣本中的其它類(lèi)型脂蛋白也可能被該染料所標(biāo)記。

圖4. LMDs對(duì)VLDL和血漿來(lái)源EVs的標(biāo)記

脂膜探針標(biāo)記和拷貝數(shù)分析
除了用于EVs的標(biāo)記之外，LMPs也常被用于EVs的捕獲和富集。在此以DSPE-PEG2000-biotin為研究模型，其中DSPE采用長(zhǎng)疏水的碳鏈結(jié)構(gòu)嵌入到EVs的磷脂雙層膜中，PEG則可以提高試劑的水溶性，而biotin標(biāo)簽則可以用于后續(xù)的親和素的捕獲或者標(biāo)記。如圖5所示，對(duì)于DSPE-PEG2000-biotin孵育后的EVs采用streptavidin-Alexa Fluor 532(AF532)進(jìn)行標(biāo)記。1~8 mM濃度的DSPE-PEG2000-biotin對(duì)于HCT-15和CCD-18Co兩種細(xì)胞來(lái)源的EVs的標(biāo)記效率是穩(wěn)定的且與EVs的純度相當(dāng)。此外，基于nFCM高靈敏的熒光檢測(cè)能力，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)EVs膜表面LMPs嵌入個(gè)數(shù)的絕對(duì)定量。單個(gè)EVs上LMPs的拷貝數(shù)分布從單拷貝到3107不等，中位值為37；同時(shí)發(fā)現(xiàn)證實(shí)LMPs對(duì)EVs的脂膜標(biāo)記不會(huì)干擾抗體對(duì)于免疫表型的分析。
 

圖5. 不同來(lái)源EVs的LMP標(biāo)記特性

綜上，作者在該論文中通過(guò)nFCM在單顆粒水平對(duì)納米生物顆粒進(jìn)行高通量、多參數(shù)定量分析的性能系統(tǒng)地評(píng)估了LMDs/LMPs對(duì)于不同來(lái)源EVs以及脂蛋白的標(biāo)記性能，讓研究者們?cè)俅我元?dú)道的視角重新審視LMDs/LMPs在EV研究中的應(yīng)用和限制。

Note：
這個(gè)文章的價(jià)值其實(shí)是建立了膜染料的評(píng)價(jià)方法。該文章選取的樣品類(lèi)型是哺乳動(dòng)物（人）細(xì)胞產(chǎn)生的EVs，選取的染料數(shù)量還比較少，市面上有更多類(lèi)型的商品化膜染料值得探索。由于膜結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)于植物來(lái)源、微生物來(lái)源的EVs，膜染料的適用性需要另行評(píng)估。