DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46079-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41906004
تاريخ النشر: 2026-03-29
المؤلف: Xiaojuan Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الحويصلات خارج الخلوية في الأمراض
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة خصائص الإكسوزومات، التي تلعب دورًا محوريًا في التواصل بين الخلايا وتحمل وعدًا في توصيل الأدوية. تم تنقية الإكسوزومات من الحليب والبول البشري باستخدام الطرد المركزي الفائق (UC) ونظام EXODUS. تم إجراء تحليل مقارن لعدة تقنيات فيزيائية حيوية—تشتت الضوء الديناميكي (DLS)، تحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA)، تقنية NanoCoulter، والطرد المركزي التحليلي (AUC)—لتقييم فعاليتها في توصيف خصائص الإكسوزوم. تشير النتائج إلى أنه بينما يعد DLS مناسبًا للتقييمات السريعة للعينات المتجانسة، إلا أنه حساس للجسيمات الأكبر ويظهر تكرارية محدودة. قدمت NTA دقة متفوقة في توزيع حجم الجسيمات والتغيرات الديناميكية، بينما قدمت NanoCoulter تركيزًا مطلقًا للجسيمات لكنها كانت مقيدة بنطاق الكشف الخاص بها. أثبت AUC أنه مفيد لتقييم نقاء العينة من خلال سلوك الترسيب وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية.
تخلص الدراسة إلى أنه لا توجد تقنية واحدة كافية لتوصيف الإكسوزومات بشكل شامل؛ لذلك، فإن دمج طرق متعددة أمر ضروري لنهج متعدد الأبعاد ومنهجي. سيساهم هذا الدمج في تعزيز موثوقية توصيف الإكسوزومات ودعم إنشاء بروتوكولات موحدة. مع تقدم المجال، ستستمر أهمية التحقق المتبادل بين طرق التحليل المختلفة في النمو، مما يبرز الحاجة إلى إطار عمل موثوق لتوصيف الإكسوزومات.
مقدمة
الإكسوزومات، التي يتراوح قطرها من حوالي 30-150 نانومتر، هي حويصلات خارج خلوية تُطلق من الخلايا من خلال اندماج الأجسام متعددة الحويصلات مع الغشاء البلازمي. يتم إفرازها من قبل جميع أنواع الخلايا تقريبًا وتوجد في سوائل الجسم المختلفة، بما في ذلك الحليب، والصفراء، والبول، والسائل المنوي، والدم. تلعب الإكسوزومات دورًا محوريًا في التواصل بين الخلايا من خلال نقل الجزيئات الحيوية الأساسية مثل البروتينات، والأحماض النووية (بما في ذلك mRNA وmiRNA)، والدهون. تجعلها خصائصها الفريدة، مثل الحجم الصغير، والتوافق الحيوي، وانخفاض السمية، وانخفاض المناعية، مرشحة جذابة لأنظمة توصيل الأدوية، خاصة في علاج السرطان المناعي. يمكن للإكسوزومات حماية العوامل العلاجية من التحلل، وتعزيز وقت دورانها، وتحسين فعالية الاستهداف.
على الرغم من إمكانياتها، فإن التعرف الموثوق وتوصيف الإكسوزومات يمثل تحديات كبيرة بسبب طبيعتها المعقدة، التي تشمل التباين في الحجم، والشكل، والتركيز، والأصل الخلوي، والتركيب الجزيئي. يمكن أن يؤثر اختيار تقنيات التوصيف، مثل تشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وتحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA)، واستشعار النبض المقاوم (RPS)، بشكل كبير على نتائج القياس، مما يؤدي إلى تباينات عبر الطرق. وبالتالي، فإن المقارنة المنهجية لمختلف أساليب توصيف الإكسوزومات أمر ضروري لتعزيز تطبيقها كوسائط لتوصيل الأدوية ولتحسين هندستها من أجل كفاءة تحميل الأدوية المستهدفة بشكل أفضل.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. يوضح المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار الدراسة. تشمل المنهجية إعداد التجربة، وتقنيات جمع البيانات، والأساليب التحليلية المطبقة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها للتحقق من النتائج، بما في ذلك استخدام أدوات البرمجيات أو اختبارات إحصائية محددة. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الإطار التجريبي، مما يمكّن الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة وتقييم موثوقية النتائج.
نتائج
في قسم النتائج، تم تنقية الإكسوزومات بنجاح من الحليب والبول باستخدام الطرد المركزي الفائق (UC) ونظام استخراج EXODUS الآلي. تم تحليل شكل وحجم الإكسوزومات المعزولة عبر المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، مما كشف أنها تتوافق مع الأبعاد المتوقعة من 30-150 نانومتر وتظهر هياكل كروية أو على شكل كوب، كما هو موضح في الشكل S1 من المواد التكميلية.
تم تأكيد صحة عزل الإكسوزومات من خلال تحليل Western blot، الذي كشف عن بروتين علامة الإكسوزوم TSG101 بحجم حوالي 47 كيلو دالتون في جميع العينات (انظر الشكل S7). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء توصيف شامل للإكسوزومات المنقاة باستخدام تقنيات فيزيائية حيوية متنوعة، بما في ذلك تشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وتحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA)، وNanoCoulter، والطرد المركزي التحليلي (AUC)، مما سمح بتقييم منهجي لنقاط القوة والقيود لكل طريقة في توصيف الإكسوزوم.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء توصيف للإكسوزومات المستمدة من الحليب والبول البشري باستخدام تقنيات تحليلية متعددة، بما في ذلك تشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وتحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA)، وتقنية NanoCoulter، والطرد المركزي التحليلي بسرعات الترسيب (SV-AUC). أظهرت كل طريقة مزايا وقيودًا مميزة في تقييم حجم الإكسوزوم ونقائه. قدمت DLS تقييمات سريعة لكنها كانت حساسة للشوائب وأظهرت تكرارية ضعيفة في العينات المتعددة الأبعاد. كانت NTA، بقدرتها على تتبع الجسيمات الفردية، فعالة في تمييز توزيعات الحجم لكنها تأثرت أيضًا بالتداخلات الضوئية من الشوائب. قدمت تقنية NanoCoulter قياسات غير بصرية لحجم الجسيمات والتركيز، مما أسفر عن نتائج تتماشى بشكل وثيق مع المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) لكنها كانت محدودة بنطاق الكشف الخاص بها.
برز SV-AUC كأداة قوية لتوصيف الإكسوزومات، مما سمح بالتحليل المتزامن لمعاملات الترسيب وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية، مما سهل تحديد الشوائب البروتينية. تؤكد هذه القدرة على الحاجة إلى دمج تقنيات توصيف متعددة لتحقيق فهم شامل لخصائص الإكسوزومات، خاصة في سياق تطبيقها كحاملات لتوصيل الأدوية. تدعو النتائج إلى اتباع نهج موحد لتوصيف الإكسوزومات، مما يبرز أهمية التحقق المتبادل بين الطرق المختلفة لتعزيز الموثوقية وقابلية التكرار في الدراسات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46079-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41906004
Publication Date: 2026-03-29
Author(s): Xiaojuan Yu et al.
Primary Topic: Extracellular vesicles in disease
Overview
This study investigates the characterization of exosomes, which are pivotal in intercellular communication and hold promise for drug delivery. Exosomes were purified from milk and human urine using ultracentrifugation (UC) and the EXODUS system. A comparative analysis of several biophysical techniques—dynamic light scattering (DLS), nanoparticle tracking analysis (NTA), NanoCoulter technology, and analytical ultracentrifugation (AUC)—was conducted to evaluate their effectiveness in characterizing exosome properties. The findings indicate that while DLS is suitable for rapid assessments of homogeneous samples, it is sensitive to larger particles and exhibits limited repeatability. NTA provided superior resolution of particle size distribution and dynamic changes, whereas NanoCoulter offered absolute particle concentration but was restricted by its detection range. AUC proved advantageous for assessing sample purity through sedimentation behavior and UV absorption.
The study concludes that no single technique suffices for comprehensive exosome characterization; thus, integrating multiple methods is essential for a multidimensional and systematic approach. This integration will enhance the reliability of exosome characterization and support the establishment of standardized protocols. As the field progresses, the importance of cross-validation among various analytical methods will continue to grow, underscoring the need for a robust characterization framework for exosomes.
Introduction
Exosomes, ranging from approximately 30-150 nm in diameter, are extracellular vesicles released from cells through the fusion of multivesicular bodies with the plasma membrane. They are secreted by nearly all cell types and are found in various bodily fluids, including milk, bile, urine, semen, and blood. Exosomes play a pivotal role in intercellular communication by transporting essential biomolecules such as proteins, nucleic acids (including mRNA and miRNA), and lipids. Their unique biogenesis and inherent properties, such as small size, biocompatibility, low toxicity, and low immunogenicity, make them attractive candidates for drug delivery systems, particularly in cancer immunotherapy. Exosomes can protect therapeutic agents from degradation, enhance their circulation time, and improve targeting efficacy.
Despite their potential, the reliable identification and characterization of exosomes present significant challenges due to their complex nature, which includes variability in size, morphology, concentration, cellular origin, and molecular composition. The choice of characterization techniques, such as dynamic light scattering (DLS), nanoparticle tracking analysis (NTA), and resistive pulse sensing (RPS), can significantly affect the measurement outcomes, leading to discrepancies across methods. Thus, a systematic comparison of various exosome characterization approaches is essential to advance their application as drug delivery vehicles and to optimize their engineering for improved drug-loading efficiency and tissue-specific targeting.
Methods
The “Materials and Methods” section of the research paper outlines the experimental design and procedures employed to investigate the research question. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the study. The methodology encompasses the experimental setup, data collection techniques, and analytical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe any statistical analyses performed to validate the findings, including the use of software tools or specific statistical tests. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the experimental framework, enabling other researchers to replicate the study and assess the reliability of the results.
Results
In the results section, exosomes were successfully purified from milk and urine using ultracentrifugation (UC) and the automated EXODUS extraction system. The morphology and size of the isolated exosomes were analyzed via transmission electron microscopy (TEM), revealing that they conformed to the expected dimensions of 30-150 nm and exhibited spherical or cup-shaped structures, as illustrated in Supplementary Materials Figure S1.
Validation of exosome isolation was further confirmed through Western blot analysis, which detected the exosome marker protein TSG101 at approximately 47 kDa in all samples (see Figure S7). Additionally, a comprehensive characterization of the purified exosomes was conducted using various biophysical techniques, including dynamic light scattering (DLS), nanoparticle tracking analysis (NTA), NanoCoulter, and analytical ultracentrifugation (AUC), allowing for a systematic evaluation of the strengths and limitations of each method in exosome characterization.
Discussion
In this study, the characterization of exosomes derived from milk and human urine was conducted using multiple analytical techniques, including Dynamic Light Scattering (DLS), Nanoparticle Tracking Analysis (NTA), NanoCoulter technology, and sedimentation velocity-analytical ultracentrifugation (SV-AUC). Each method demonstrated distinct advantages and limitations in assessing exosome size and purity. DLS provided rapid assessments but was sensitive to impurities and showed poor repeatability in polydisperse samples. NTA, with its single-particle tracking capability, effectively differentiated size distributions but was also affected by optical interferences from impurities. The NanoCoulter technology offered non-optical measurements of particle size and concentration, yielding results closely aligned with transmission electron microscopy (TEM) but was limited by its detection range.
SV-AUC emerged as a powerful tool for characterizing exosomes, allowing for the simultaneous analysis of sedimentation coefficients and UV absorbance, which facilitated the identification of protein impurities. This capability underscores the need for integrating multiple characterization techniques to achieve a comprehensive understanding of exosome properties, particularly in the context of their application as drug delivery carriers. The findings advocate for a standardized approach to exosome characterization, emphasizing the importance of cross-validation among various methods to enhance reliability and reproducibility in future studies.