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JP7638481B2 - Method for concentrating biological substances - Google Patents

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JP7638481B2 JP2023119156A JP2023119156A JP7638481B2 JP 7638481 B2 JP7638481 B2 JP 7638481B2 JP 2023119156 A JP2023119156 A JP 2023119156A JP 2023119156 A JP2023119156 A JP 2023119156A JP 7638481 B2 JP7638481 B2 JP 7638481B2
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Description

本発明は、細胞外小胞(EV、例えば、エクソソーム)などの生体由来物質を簡便に濃縮するための生体由来物質の濃縮方法に関する。 The present invention relates to a method for concentrating biological substances, such as extracellular vesicles (EVs, e.g., exosomes), in a simple manner.

従来、温度やpH、有機溶剤の存在などといった、環境因子の影響を受けやすい生体由来物質(例えば、タンパク質やウイルス、EVなど)を、生物活性を維持したまま、液体試料中から回収/濃縮する技術が提案されている。 Technologies have been proposed to recover and concentrate biological substances (e.g., proteins, viruses, EVs, etc.) that are easily affected by environmental factors such as temperature, pH, and the presence of organic solvents from liquid samples while maintaining their biological activity.

即ち、生体由来物質を回収/濃縮する技術としては、超遠心分離法、限外ろ過法、サイズ排除クロマトグラフィ法、および、アフィニティを利用した精製法などがよく知られており、試料の特性や後処理、操作時間やコストなどに応じて適した手法が用いられる。また、特殊な装置を必要とせず、低コストで実施可能な回収/濃縮方法として、排除体積効果を利用したポリマー沈殿法や水性二相系(ATPS)を利用した分配法もある。 Well-known techniques for recovering and concentrating biological substances include ultracentrifugation, ultrafiltration, size exclusion chromatography, and affinity purification, with the most appropriate method being used depending on the sample characteristics, post-treatment, operation time, and cost. Other recovery and concentration methods that do not require special equipment and can be carried out at low cost include polymer precipitation using the excluded volume effect and partitioning using an aqueous two-phase system (ATPS).

なお、EVに関して言及すると、Total Exosome Isolation Reagent (Invitrogen)やExoQuickシリーズ(System Biosciences)など、ポリマー沈殿法を用いた回収/濃縮キットが市販されている。 Regarding EV, recovery/concentration kits using polymer precipitation methods are commercially available, such as Total Exosome Isolation Reagent (Invitrogen) and the ExoQuick series (System Biosciences).

特許第6932529号公報Patent No. 6932529 韓国登録特許第10-1761680号Korean Patent No. 10-1761680 韓国登録特許第10-1745455号Korean Patent No. 10-1745455 特表2022-508122号公報Special Publication No. 2022-508122 国際公開第2019/160519号International Publication No. 2019/160519 特許第5271354号公報Patent No. 5271354

H. Shin et al., “High-yield isolation of extracellular vesicles using aqueous two-phase system”, (2015) Scientific Reports, 5: 13103H. Shin et al., “High-yield isolation of extracellular vesicles using aqueous two-phase system”, (2015) Scientific Reports, 5: 13103 J. Kim et al., “Isolation of High-Purity Extracellular Vesicles by Extracting Proteins Using Aqueous Two-Phase System”, (2015) PLOS ONE, DOI:10.1371/journal.pone.0129760.J. Kim et al., “Isolation of High-Purity Extracellular Vesicles by Extracting Proteins Using Aqueous Two-Phase System”, (2015) PLOS ONE, DOI:10.1371/journal.pone.0129760. A. Torres-Bautista et al., “Characterization and optimization of polymer-polymer aqueous two-phase systems for the isolation and purification of CaCo2 cell-derived exosomes”, (2022) PLoS ONE 17(9): e0273243.A. Torres-Bautista et al., “Characterization and optimization of polymer-polymer aqueous two-phase systems for the isolation and purification of CaCo2 cell-derived exosomes”, (2022) PLoS ONE 17(9): e0273243. Y. Weng et al., “Effective isolation of exosomes with polyethylene glycol from cell culture supernatant for in-depth proteome profiling”, (2016) Analyst, 141: 4640-4646Y. Weng et al., “Effective isolation of exosomes with polyethylene glycol from cell culture supernatant for in-depth proteome profiling”, (2016) Analyst, 141: 4640-4646 T. Nezu & H. Maeda., “Phase Separation Coupled with Gelation in Polyethylene Glycol-Gelatin-Aqueous Buffer System”, (1991) Bulll Chem. Soc. Jpn, 64: 1618-1622T. Nezu & H. Maeda., “Phase Separation Coupled with Gelation in Polyethylene Glycol-Gelatin-Aqueous Buffer System”, (1991) Bulll Chem. Soc. Jpn, 64: 1618-1622 M. Yanagisawa, et al., “Phase separation in binary polymer solution: Gelatin/Poly(ethylene glycol) system”, (2014) Journal of Molecular Liquids 200: 2-6M. Yanagisawa, et al., “Phase separation in binary polymer solution: Gelatin/Poly(ethylene glycol) system”, (2014) Journal of Molecular Liquids 200: 2-6

従来の、生体由来物質を回収/濃縮するための、排除体積効果を利用したポリマー沈殿法や水性二相系を利用した分配法の場合、いずれも特殊な装置を必要とせずにスケールアップ/ダウンが比較的容易で、かつ、低コストという利点を有する。 Conventional methods for recovering and concentrating biological substances, such as polymer precipitation using the excluded volume effect and partitioning using an aqueous two-phase system, have the advantage that they do not require special equipment, are relatively easy to scale up and down, and are low cost.

しかしながら、前者は、操作が非常に簡便ではあるものの、目的物質の回収効率向上のためには、目的物質を排除体積効果によって遠心沈降可能なサイズにまで凝集させるインキュベーション工程や、小型の凝集物まで沈殿させる遠心分離工程に長い時間を要する。 However, although the former method is very easy to operate, in order to improve the recovery efficiency of the target substance, it requires a long incubation process in which the target substance is aggregated to a size that can be centrifuged by centrifugation due to the excluded volume effect, and a centrifugation process in which even small aggregates are precipitated.

後者は、速やかな二相形成を利用するため(数十秒間程度)、短時間で目的物質を二相(層)分配できるものの、ある程度の修練が必要であった。即ち、水と有機溶媒との二相系とは異なり、二相とも水相であるために相間の界面張力が小さく、界面を乱さずに目的物質を優先的に含む相のみを分け取る操作は非常に困難を要する。 The latter method utilizes the rapid formation of two phases (in about a few tens of seconds), and can distribute the target substance between two phases (layers) in a short time, but requires a certain degree of training. That is, unlike a two-phase system of water and an organic solvent, both phases are aqueous, so the interfacial tension between the phases is low, and it is extremely difficult to separate only the phase that preferentially contains the target substance without disturbing the interface.

また、後者において、目的物質の回収効率向上のためには、分散するドロップレット(微小液滴)を残さず集めて各相を二層へと分離させることが重要となる。相間界面張力の増加や二層分離の促進にはポリマー濃度の増加が有効ではあるが、ポリマー濃度の増加は同時に水溶液の粘性を増加させることになるため、回収効率と操作性とを共に向上させることが難しいという課題があった。 In the latter case, in order to improve the recovery efficiency of the target substance, it is important to collect all dispersed droplets (tiny liquid droplets) and separate each phase into two layers. Increasing the polymer concentration is effective in increasing the interfacial tension between the phases and promoting two-layer separation, but increasing the polymer concentration also increases the viscosity of the aqueous solution, making it difficult to improve both recovery efficiency and operability.

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、液体試料から生体由来物質を迅速、かつ、簡便に、高効率で回収/濃縮することが可能な生体由来物質の濃縮方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and its object is to provide a method for concentrating biological substances that can quickly, easily, and efficiently recover and concentrate biological substances from liquid samples.

上記課題を達成するため、本発明の第1の態様は、生体由来物質の濃縮方法であって、前記生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマーとを添加し、撹拌する工程と、遠心分離によって、前記液体試料を高分子クラウダー相からなる高分子クラウダー層およびゲル形成ポリマー相からなるゲル形成ポリマー層を含む、多層に分離する工程と、前記ゲル形成ポリマー層のゲル化を誘導する工程と、ゲル化された前記ゲル形成ポリマー層を分け取る工程と、を備え、前記生体由来物質は、細胞外小胞であり、前記高分子クラウダーは、分子クラウディング効果を有するポリマーであって、平均分子量が8,000~35,000で、終濃度が5~15%のPEGであり、前記ゲル形成ポリマー相は、繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーであって、平均分子量が10,000~100,000で、終濃度が0.1~0.5%のゼラチンであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a method for concentrating a biological substance, the method comprising the steps of adding a polymer crowder and a gel-forming polymer having reversible sol/gel conversion properties to a liquid sample containing the biological substance, and stirring the mixture; separating the liquid sample by centrifugation into multiple layers including a polymer crowder layer consisting of a polymer crowder phase and a gel-forming polymer layer consisting of a gel-forming polymer phase; inducing gelation of the gel-forming polymer layer; and separating the gelled gel-forming polymer layer , wherein the biological substance is an extracellular vesicle, the polymer crowder is a polymer having a molecular crowding effect, and is PEG having an average molecular weight of 8,000 to 35,000 and a final concentration of 5 to 15%, and the gel-forming polymer phase is a polymer capable of repeated sol/gel conversion, and is gelatin having an average molecular weight of 10,000 to 100,000 and a final concentration of 0.1 to 0.5% .

また、本発明の第2の態様は、生体由来物質の濃縮方法であって、前記生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマー相とを添加し、撹拌する工程と、前記ゲル形成ポリマー相のドロップレットのゲル化を誘導する工程と、遠心分離によって、前記液体試料を高分子クラウダー相からなる高分子クラウダー層およびゲル化されたゲル形成ポリマー層を含む、多層に分離する工程と、ゲル化された前記ゲル形成ポリマー層を分け取る工程と、を備え、前記生体由来物質は、細胞外小胞であり、前記高分子クラウダーは、分子クラウディング効果を有するポリマーであって、平均分子量が8,000~35,000で、終濃度が5~15%のPEGであり、前記ゲル形成ポリマー相は、繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーであって、平均分子量が10,000~100,000で、終濃度が0.1~0.5%のゼラチンであることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is a method for concentrating a biological substance, the method comprising the steps of adding a polymer crowder and a gel-forming polymer phase having reversible sol/gel conversion properties to a liquid sample containing the biological substance and stirring the mixture; inducing gelation of droplets of the gel-forming polymer phase; separating the liquid sample into multiple layers including a polymer crowder layer composed of the polymer crowder phase and a gelled gel-forming polymer layer by centrifugation; and separating the gelled gel-forming polymer layer , wherein the biological substance is an extracellular vesicle, the polymer crowder is a polymer having a molecular crowding effect, and is PEG having an average molecular weight of 8,000 to 35,000 and a final concentration of 5 to 15%, and the gel-forming polymer phase is a polymer capable of repeated sol/gel conversion, and is gelatin having an average molecular weight of 10,000 to 100,000 and a final concentration of 0.1 to 0.5% .

本発明によれば、液体試料から生体由来物質を迅速、簡便、かつ、高効率で回収/濃縮することが可能な生体由来物質の濃縮方法を提供できる。 The present invention provides a method for concentrating biological substances that can quickly, easily, and efficiently recover and concentrate biological substances from liquid samples.

本発明の実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法をドロップレット分離する場合を例に示す図(実施例1)である。FIG. 1 is a diagram (Example 1) illustrating an example of a method for concentrating a biological substance according to an embodiment of the present invention, in which droplets are separated. 本発明の実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法をマイクロゲル分離する場合を例に示す図(実施例2)である。FIG. 11 is a diagram (Example 2) showing an example of a method for concentrating a biological substance according to an embodiment of the present invention, in which microgel separation is performed. 検証1の結果を示すグラフであって、実施例2に係るゼラチン-ポリエチレングリコール(PEG) ATPSを例に、ゼラチン相をマイクロゲル化することで二層分離可能なポリマー濃度域がポリマー低濃度域へ拡張されることを示すもので、図(a)は、ゼラチン 100kとPEG 35kとからなるATPSの場合であり、図(b)は、ゼラチン 100kとPEG 8kとからなるATPSの場合であり、図(c)は、ゼラチン 20kとPEG 8kとからなるATPSの場合である。1 is a graph showing the results of verification 1, and shows that the polymer concentration range in which two-layer separation is possible is expanded to a low polymer concentration range by microgelling the gelatin phase, using the gelatin-polyethylene glycol (PEG) ATPS of Example 2 as an example. FIG. 1(a) is for the ATPS consisting of gelatin 100k and PEG 35k, FIG. 1(b) is for the ATPS consisting of gelatin 100k and PEG 8k, and FIG. 1(c) is for the ATPS consisting of gelatin 20k and PEG 8k. 検証2の結果を示すグラフであって、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPSを例に、マイクロゲル化後に遠心分離することで、より高比率のゼラチンが下層(沈殿物)として分離されることを示すもので、図(a)は、ゼラチン 100kとPEG 35kとからなるATPSの場合であり、図(b)は、ゼラチン 100kとPEG 8kとからなるATPSの場合であり、図(c)は、ゼラチン 60kとPEG 8kとからなるATPSの場合であり、図(d)は、ゼラチン 20kとPEG 8kとからなるATPSの場合であり、図(e)は、ゼラチン 10kとPEG 8kとからなるATPSの場合である。11 is a graph showing the results of verification 2, taking the gelatin-PEG ATPS of Example 2 as an example, showing that a higher ratio of gelatin is separated as a lower layer (precipitate) by centrifuging after microgelation, where FIG. 11(a) is for an ATPS consisting of gelatin 100k and PEG 35k, FIG. 11(b) is for an ATPS consisting of gelatin 100k and PEG 8k, FIG. 11(c) is for an ATPS consisting of gelatin 60k and PEG 8k, FIG. 11(d) is for an ATPS consisting of gelatin 20k and PEG 8k, and FIG. 11(e) is for an ATPS consisting of gelatin 10k and PEG 8k. 検証3の結果を示すものであって、実施例1,2に係るゼラチン-PEG ATPSを対象に、ゼラチン相をマイクロゲル化することでEV回収率が増加することを、従来と対比して示すグラフである。1 shows the results of verification 3, and is a graph showing that the EV recovery rate is increased by microgelling the gelatin phase in the gelatin-PEG ATPS of Examples 1 and 2, in comparison with the conventional method. 検証4の結果を示すものであって、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPSを対象に、ゼラチン相をマイクロゲル化することでEV回収率の増加と併せてウシ血清タンパク質のコンタミ率の低減がもたらされることを、従来と対比して示すグラフである。This is a graph showing the results of verification 4, which is a comparison with the conventional method, showing that microgelling the gelatin phase in the gelatin-PEG ATPS of Example 2 increases the EV recovery rate and reduces the bovine serum protein contamination rate. 検証5の結果を示すものであって、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPSを用いた濃縮法でのEV回収率を、他の濃縮方法によるEV回収率と対比して示すグラフである。13 shows the results of Verification 5, and is a graph showing the EV recovery rate in the concentration method using the gelatin-PEG ATPS of Example 2 in comparison with the EV recovery rates in other concentration methods.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る生体由来物質の濃縮方法について説明する。なお、実施の形態(態様)において、図面は、発明の概要を模式的に示すものであって、実際のものとは異なるものであることに留意すべきである。 The method for concentrating biological substances according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the embodiment (mode), the drawings are schematic diagrams showing the outline of the invention and may differ from the actual one.

用語の説明
まず、実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法の説明を行う前に、本明細書の記載において使用される用語について説明する。本明細書中の記載において、特に断りがない限り、用語は、この項の記載に基づいて解釈される。
Explanation of Terms Before describing the method for concentrating a biological substance according to the embodiment, the terms used in the description of this specification will be explained. In the description of this specification, unless otherwise specified, the terms are interpreted based on the description in this section.

生体由来物質とは、生体から回収された物質の総称であり、生体を構成する細胞や生体から分泌された小胞、および、生体内で合成・分解された(高分子)化合物などを含む。具体的には、細胞、血球、ウイルス、細胞小器官、細胞外小胞、細胞外膜小胞、および、タンパク質などを含む。 Biological substances are a general term for substances recovered from living organisms, including cells that make up living organisms, vesicles secreted from living organisms, and (polymeric) compounds synthesized or decomposed within living organisms. Specifically, they include cells, blood cells, viruses, organelles, extracellular vesicles, extracellular membrane vesicles, and proteins.

液体試料とは、培養細胞や生物(個体)から採取される液体成分の試料である。具体的には、細胞培養系においては馴化培地や細胞溶解液といった液体成分であり、動物個体から採取される液体成分としては、血清、血漿、リンパ液、尿、腹水、胸水、脳脊髄液、および、間質液などを含み、植物個体から採取される液体成分としては、果汁、間質液、導管液、および、師管液などを含む。 A liquid sample is a sample of liquid components collected from cultured cells or organisms (individuals). Specifically, in cell culture systems, liquid components include conditioned medium and cell lysates. Liquid components collected from individual animals include serum, plasma, lymph, urine, ascites, pleural fluid, cerebrospinal fluid, and interstitial fluid, while liquid components collected from individual plants include fruit juice, interstitial fluid, xylem sap, and phloem sap.

高分子クラウディング(高分子混みあい)とは、近年、材料科学やバイオ関連分野において注目を集めている生物物理学的現象であり、排除体積効果によって分子が占有できる体積を制限することで、分子の会合や折り畳みが促進される。 Polymer crowding is a biophysical phenomenon that has attracted attention in recent years in materials science and bio-related fields. It promotes molecular association and folding by limiting the volume that molecules can occupy due to the excluded volume effect.

ここで、分子クラウディング効果を有するポリマー、即ち高分子クラウダーは、通常、分子量が約5,000以上、濃度が約5%以上で、高分子のクラウディング状態を作り出す。高分子クラウダーとしては、例えば、ポリエチンレングリコールやポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン、デキストラン(DEX)、および、フィコールが挙げられる。 Here, a polymer with a molecular crowding effect, i.e., a polymer crowder, usually has a molecular weight of about 5,000 or more and a concentration of about 5% or more, and creates a crowded state of polymers. Examples of polymer crowders include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone, dextran (DEX), and ficoll.

本実施形態で使用される高分子クラウダーとしては、好ましくは、PEGやPVAである。詳細については後述するが、本発明の目的を達するために、望ましいPEGの平均分子量は3,000~50,000であり、さらに好ましくは8,000~35,000である。 The polymer crowder used in this embodiment is preferably PEG or PVA. Details will be described later, but in order to achieve the object of the present invention, the average molecular weight of PEG is preferably 3,000 to 50,000, and more preferably 8,000 to 35,000.

可逆的ゲル形成ポリマーは、一定の条件下で、ポリマー間/内に部分的に架橋を形成し、内部に多くの水分子を保持したメッシュワーク構造(ゲル)を構築できるポリマーのうち、繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーである。繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーとしては、例えば、ゼラチンやアルギン酸塩、アガロースなどが挙げられる。 A reversible gel-forming polymer is a polymer that can be repeatedly converted into a sol/gel state under certain conditions, forming partial cross-links between/within the polymer and constructing a meshwork structure (gel) that holds many water molecules inside. Examples of polymers that can be repeatedly converted into a sol/gel state include gelatin, alginate, and agarose.

本実施形態で使用されるゲル形成ポリマーとして、好ましくは、ゼラチンやアルギン酸塩である。ゼラチンやアルギン酸塩は、生体内での分解が可能で、安全性が高く、食用・工業用のみならず、医療分野においても幅広く利用されている生体適合性ポリマーである。 The gel-forming polymer used in this embodiment is preferably gelatin or alginate. Gelatin and alginate are biocompatible polymers that can be decomposed in the body, are highly safe, and are widely used not only for food and industrial purposes but also in the medical field.

ゼラチンのゾル/ゲル変換特性は、原材料となる生物種や分子量などにも影響されるが、本実施形態で使用されるゼラチンは4℃~37℃の間に凝固点と融点とを有すれば、原材料や分子量、等電点はいずれでも良い(ウシやブタ由来のゼラチンの凝固点は23-30℃、融点は30-35℃程度)。詳細については後述するが、本発明の目的を達するために、好ましいゼラチンの分子量は10,000~100,000である。 The sol/gel conversion characteristics of gelatin are affected by the species of organism and molecular weight of the raw material, but the gelatin used in this embodiment may be of any raw material, molecular weight, or isoelectric point as long as it has a freezing point and melting point between 4°C and 37°C (the freezing point of gelatin derived from cows or pigs is 23-30°C, and the melting point is about 30-35°C). Details will be described later, but in order to achieve the objectives of the present invention, the preferred molecular weight of gelatin is 10,000 to 100,000.

エマルジョン状態とは、水性二相系を懸濁することによって、液量の多い相の中に液量の少ない相がドロップレット(または、マイクロゲル)として分散した状態であり、ドロップレット(または、マイクロゲル)が光を散乱することで白濁して見えることがある。 An emulsion state is a state in which an aqueous two-phase system is suspended, causing the less liquid phase to be dispersed as droplets (or microgels) in the more liquid phase, and the droplets (or microgels) may appear cloudy due to light scattering.

二相の比重の違いによって、系に分散したドロップレットを一つのまとまり(多くの場合、層)として分離させることを、二層分離と呼ぶ。ドロップレットが分散したままでは、ドロップレットのみを選択的に回収するのは困難である。そのため、効率的な二層分離の工程(操作)が大切となる。 When droplets dispersed in a system are separated into a single mass (usually a layer) due to the difference in specific gravity between the two phases, this is called two-phase separation. If the droplets remain dispersed, it is difficult to selectively collect only the droplets. For this reason, an efficient two-phase separation process (operation) is important.

後述する本実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法においては、排除体積効果の高い高分子クラウダーと可逆的ゲル形成ポリマーとを組み合わせた水性二相系を用いた生体由来物質の濃縮と、ゾル/ゲル変換特性を利用した生体由来物質の分離・回収と、を特徴とする。 The method for concentrating biological substances according to the present embodiment, which will be described later, is characterized by concentrating biological substances using an aqueous two-phase system that combines a polymer crowder with a high excluded volume effect and a reversible gel-forming polymer, and by separating and recovering biological substances using the sol/gel conversion properties.

ここで、生体由来物質を濃縮するとは、液体試料よりも高濃度の生体由来物質を含む液体を調製することを意味する。 Here, concentrating a biological substance means preparing a liquid containing a biological substance at a higher concentration than the liquid sample.

本実施形態による生体由来物質の濃縮方法は、複数段階精製の初期段階目の精製として用いられ得る。具体的には、生体由来物質を含む液体試料とゲル形成ポリマーおよび高分子クラウダーとを混ぜ、撹拌することで、エマルジョン化した水性二相系を調製する工程を含む。 The method for concentrating a biological substance according to this embodiment can be used as the initial stage of purification in a multi-stage purification. Specifically, it includes a step of preparing an emulsified aqueous two-phase system by mixing and stirring a liquid sample containing a biological substance with a gel-forming polymer and a polymer crowder.

撹拌方法は特に限定されず、エマルジョンの形成が可能であれば、ボルテックスミキサーによる撹拌であっても、ピペッティングによる撹拌であっても、転倒混和であっても良い。 The stirring method is not particularly limited, and as long as an emulsion can be formed, stirring using a vortex mixer, stirring by pipetting, or mixing by inversion may be used.

系としては、少なくともゲル形成ポリマー相(ゲル形成ポリマー層)および高分子クラウダー相(高分子クラウダー層)を含む。高分子クラウダー相は、主として高分子クラウダーを含む液相であり、微量のゲル形成ポリマーを含み得るが、その濃度は、本発明の目的を達するために、ゲル形成濃度未満でなくてはならない。 The system includes at least a gel-forming polymer phase (gel-forming polymer layer) and a polymer crowder phase (polymer crowder layer). The polymer crowder phase is a liquid phase that mainly contains a polymer crowder and may contain a trace amount of a gel-forming polymer, but the concentration must be less than the gel-forming concentration to achieve the objectives of the present invention.

ゲル形成ポリマー相は、主としてゲル形成ポリマーを含む液相であり、好ましくは、実際は高分子クラウダーを含まない。ここでの「実際は高分子クラウダーを含まない」とは、本発明の作用・効果を失わない程度の微量の高分子クラウダーを含み得ることを意味する。 The gel-forming polymer phase is a liquid phase that mainly contains a gel-forming polymer, and preferably does not actually contain a polymer crowder. Here, "does not actually contain a polymer crowder" means that it may contain a small amount of polymer crowder to the extent that the action and effect of the present invention is not lost.

本発明の目的を達するためには、高分子クラウダー相中にゲル形成ポリマー相のドロップレットが分散した方が好ましい。 To achieve the objectives of the present invention, it is preferable that droplets of the gel-forming polymer phase are dispersed in the polymer crowder phase.

特に、ゲル形成ポリマー相および高分子クラウダー相の二相が形成されるまでは、ゲル形成ポリマーとしては、一相のままでのゲル化を起こさずに、ゾル状態を維持させる必要がある。即ち、ゲル形成ポリマーは、ゲル形成可能な濃度よりも低く、かつ、二相形成により初めてゲル形成ポリマー相中のゲル形成ポリマー濃度がゲル形成可能な濃度まで濃縮されるように、系の終濃度を設定する必要がある。 In particular, until the two phases of the gel-forming polymer phase and the polymer crowder phase are formed, the gel-forming polymer must remain in a sol state without gelling as a single phase. In other words, the final concentration of the gel-forming polymer must be set so that it is lower than the concentration at which a gel can be formed, and the concentration of the gel-forming polymer in the gel-forming polymer phase is concentrated to a concentration at which a gel can be formed only after the formation of the two phases.

加えて、高分子クラウダー相は、生体由来物質とゲル形成ポリマーとを高分子クラウダー相から排斥し、かつ、ゲル形成ポリマー相のゲル形成ポリマー濃度をゲル化可能な濃度まで濃縮させるように、系の終濃度を設定する必要がある。 In addition, the final concentration of the system must be set so that the polymer crowder phase excludes the biological material and the gel-forming polymer from the polymer crowder phase and concentrates the gel-forming polymer concentration in the gel-forming polymer phase to a concentration that allows gelation.

そこで、望ましくは、高分子クラウダー相よりもゲル形成ポリマー相の方が比重は高く、遠心分離工程後には、ゲル形成ポリマー相が沈降するように、系のゲル形成ポリマーの終濃度が設定される。例えば、ゲル形成ポリマーがゼラチンの場合、ゼラチンの終濃度は、0.05%~5.0%の範囲内であることが好ましい。さらに好ましくは、0.1~0.5%である。これに対し、高分子クラウダーがPEGの場合、PEGの終濃度は、1~20%の範囲内であることが好ましい。さらに好ましくは、5~15%である。 Therefore, it is desirable that the gel-forming polymer phase has a higher specific gravity than the polymer crowder phase, and the final concentration of the gel-forming polymer in the system is set so that the gel-forming polymer phase settles after the centrifugation step. For example, when the gel-forming polymer is gelatin, the final concentration of gelatin is preferably within the range of 0.05% to 5.0%, and more preferably 0.1 to 0.5%. On the other hand, when the polymer crowder is PEG, the final concentration of PEG is preferably within the range of 1 to 20%, and more preferably 5 to 15%.

なお、液体試料と混合されるゲル形成ポリマーおよび高分子クラウダーは、固体であっても良いし、液体であっても良い。また、ゲル形成ポリマーまたは高分子クラウダーを溶媒に溶解してから、液体試料と混合するようにしても良い。 The gel-forming polymer and polymer crowder to be mixed with the liquid sample may be solid or liquid. The gel-forming polymer or polymer crowder may be dissolved in a solvent and then mixed with the liquid sample.

溶媒としては、水、生理食塩水、細胞培養培地、および、緩衝液(例えば、リン酸緩衝生理食塩水(PBS))などから、濃縮する生体由来物質に適した溶媒を選択する。 The solvent to be used is selected from water, saline, cell culture medium, and buffer solutions (e.g., phosphate-buffered saline (PBS)) that are suitable for the biological material to be concentrated.

本実施形態においては、エマルジョン化した水性二相系を調製する工程の後に、ゲル形成ポリマー相をゲル化させる工程を含む。ゲル化工程は、ゲル形成ポリマーのゾル/ゲル変換特性にしたがい、例えば、ゼラチンであれば冷却(ゲル化温度以下、0℃以上)、アルギン酸塩であればカルシウムイオン濃度の増加などが挙げられる。 In this embodiment, the process includes a step of gelling the gel-forming polymer phase after the step of preparing an emulsified aqueous two-phase system. The gelling step is carried out according to the sol/gel conversion characteristics of the gel-forming polymer, for example, by cooling (below the gelling temperature, 0°C or higher) in the case of gelatin, or by increasing the calcium ion concentration in the case of alginate.

本発明の目的を達するためには、生体由来物質を優先的に含む相を分け取るまでは、ゲル化状態を維持する(ゲル化条件を保つ)必要がある。 To achieve the objectives of the present invention, it is necessary to maintain the gelled state (maintain the gelling conditions) until the phase that preferentially contains the biological substance is separated.

本実施形態においては、ゲル形成ポリマー相をゲル化させた後の工程として、ゲル形成ポリマー相を回収する工程を含む。ゲル形成ポリマー相の回収は、ゲル形成ポリマー相の全部または一部を高分子クラウダー相から分けて取得できる限り、その方法に制限されない。即ち、回収方法としては、例えば、ゲル形成ポリマー相と高分子クラウダー相とを二層分離させた後、高分子クラウダー相を吸引やデカントで除去し、ゲル形成ポリマー相だけを残すことを含む。 In this embodiment, the process after gelling the gel-forming polymer phase includes a process of recovering the gel-forming polymer phase. The method for recovering the gel-forming polymer phase is not limited as long as all or a part of the gel-forming polymer phase can be obtained separately from the polymer crowder phase. In other words, the recovery method includes, for example, separating the gel-forming polymer phase and the polymer crowder phase into two layers, and then removing the polymer crowder phase by suction or decanting, leaving only the gel-forming polymer phase.

なお、本実施形態においては、系の二層分離を促進するために、遠心分離させる工程を含んでも良い。例えば、ゲル形成ポリマー相をドロップレットのまま分離する場合には、エマルジョン化の工程とゲル形成ポリマー相のゲル化の工程との間に、また、ゲル形成ポリマー相をマイクロゲル化して回収する場合には、マイクロゲル化の工程と回収の工程との間に、それぞれ遠心分離の工程が入り得る。 In this embodiment, a centrifugation step may be included to promote separation into two layers of the system. For example, if the gel-forming polymer phase is separated as droplets, a centrifugation step may be inserted between the emulsification step and the gelling step of the gel-forming polymer phase, and if the gel-forming polymer phase is microgelled and recovered, a centrifugation step may be inserted between the microgelling step and the recovery step.

遠心処理の条件としては、系のサイズにも依存するが、遠心加速度の範囲は1,000~10,000xg、時間は1~10分間であれば良い。また、温度は、ゼラチンのようにゲル化条件が温度である場合にはゲル化温度に制約されるが、特に制約がない場合には、好ましくは4℃である。 The conditions for centrifugation depend on the size of the system, but the centrifugal acceleration should be in the range of 1,000 to 10,000 x g, and the time should be 1 to 10 minutes. In addition, the temperature is restricted to the gelling temperature when the gelling condition is temperature, as in the case of gelatin, but if there are no particular restrictions, it is preferably 4°C.

さらに、本実施形態においては、ゲル形成ポリマー相のゲル/マイクロゲルを回収した後に、ゲルを再融解するゾル化誘導の工程を含んでも良い。ゾル化誘導の工程は、ゲル形成ポリマーのゾル/ゲル変換特性にしたがい、例えば、ゼラチンであれば加温(ゾル化温度以上、望ましくは37℃以下)、アルギン酸塩であればカルシウムイオンキレータ(EDTAなど)の添加によるカルシウムイオン濃度の低下などが挙げられる。ゲル形成ポリマー相の再ゲル化を妨げるために、適宜、溶媒で希釈するようにしても良い。 Furthermore, in this embodiment, after recovering the gel/microgel of the gel-forming polymer phase, a sol-inducing step of remelting the gel may be included. The sol-inducing step is performed according to the sol/gel conversion characteristics of the gel-forming polymer, for example, by heating (above the sol-inducing temperature, preferably below 37°C) in the case of gelatin, or by adding a calcium ion chelator (such as EDTA) to reduce the calcium ion concentration in the case of alginate. In order to prevent regelation of the gel-forming polymer phase, it may be appropriately diluted with a solvent.

実施形態
以下に、ポリマー沈殿のメカニズムの一つである排除体積効果による粒子の排斥と、水性二相系の速やかな二相形成、そしてゲル形成ポリマーの可逆的なゾル/ゲル変換特性を組み合わせることで、簡便、かつ、効率的な生体由来物質の回収/濃縮の方法について説明する。
Hereinafter, a simple and efficient method for recovering/concentrating biological substances will be described, which combines the exclusion of particles due to the excluded volume effect, which is one of the mechanisms of polymer precipitation, the rapid formation of two phases in an aqueous two-phase system, and the reversible sol/gel conversion property of a gel-forming polymer.

実施例1
図1は、本実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法について、ドロップレット分離する場合を例に説明するための図である。
Example 1
FIG. 1 is a diagram for explaining a method for concentrating a biological substance according to the present embodiment, taking droplet separation as an example.

まずは、例えば図1に示すように、生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマーとを添加し、撹拌する(1)。これにより、高分子クラウダー相の中にゲル形成ポリマー相のドロップレット( ゾル)が分散したエマルジョン状態(二相形成)を得る。高分子クラウダー相は、以降の工程間において、常に液相の状態を維持する。 First, as shown in Figure 1, a polymer crowder and a gel-forming polymer with reversible sol/gel conversion properties are added to a liquid sample containing a biological substance and stirred (1). This creates an emulsion state (two-phase formation) in which droplets (sol) of the gel-forming polymer phase are dispersed in the polymer crowder phase. The polymer crowder phase always remains in a liquid state during the subsequent steps.

次いで、遠心分離によって、高分子クラウダー相とゲル形成ポリマー相とを上層/下層の二層へと分離する(2-a)。 Then, the polymer crowder phase and the gel-forming polymer phase are separated into two layers, an upper layer and a lower layer, by centrifugation (2-a).

そして、ゲル形成ポリマーのゲル化を誘導し、下層のゲル形成ポリマー相のみをゲル化する(3-a)。 Then, gelation of the gel-forming polymer is induced, and only the lower gel-forming polymer phase is gelled (3-a).

この後、下層のゲル形成ポリマー相(ゲル相)と上層の高分子クラウダー相(液相)とを分け取り、ゲル形成ポリマー相を回収(下層回収)する(4-a)。 Then, the lower gel-forming polymer phase (gel phase) and the upper polymer crowder phase (liquid phase) are separated, and the gel-forming polymer phase is recovered (lower layer recovery) (4-a).

最後に、必要に応じて、回収したゲル形成ポリマー相のゲルを再びゾル化/融解させ、濃縮された生体由来物質の液体試料(サンプル)を得る(5)。このサンプルは、適宜、緩衝液(PBSなど)で希釈し、ゲル形成ポリマーの濃度を下げても良い。 Finally, if necessary, the gel of the recovered gel-forming polymer phase is resolized/melted to obtain a liquid specimen (sample) of concentrated biological material (5). This sample may be diluted with a buffer solution (e.g., PBS) as appropriate to reduce the concentration of the gel-forming polymer.

本実施例1によれば、液体試料から生体由来物質を迅速に、かつ、高効率で濃縮することができる。 According to this embodiment 1, biological substances can be concentrated from liquid samples quickly and efficiently.

実施例2
図2は、本実施形態に係る生体由来物質の濃縮方法について、マイクロゲル分離する場合を例に説明するための図である。
Example 2
FIG. 2 is a diagram for explaining the method for concentrating a biological substance according to this embodiment, taking as an example the case of microgel separation.

まずは、例えば図2に示すように、生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマーとを添加し、撹拌する(1)。これにより、高分子クラウダー相の中にゲル形成ポリマー相のドロップレット(ゾル)が分散したエマルジョン状態(二相形成)を得る。高分子クラウダー相は、以降の工程間において、常に液相の状態を維持する。 First, as shown in Figure 2, for example, a polymer crowder and a gel-forming polymer with reversible sol/gel conversion properties are added to a liquid sample containing a biological substance and stirred (1). This creates an emulsion state (two-phase formation) in which droplets (sol) of the gel-forming polymer phase are dispersed in the polymer crowder phase. The polymer crowder phase always maintains a liquid state during the subsequent steps.

次いで、ドロップレットのゲル化を誘導し、ゲル形成ポリマー相のマイクロゲルを調製する(2-b)。 The droplets are then induced to gel, preparing microgels of the gel-forming polymer phase (2-b).

そして、ゲル形成ポリマー相をマイクロゲル化した後、遠心分離によって、高分子クラウダー相からマイクロゲルを沈殿(二層分離)させる(3-b)。 Then, after the gel-forming polymer phase is microgelated, the microgel is precipitated from the polymer crowder phase (two-layer separation) by centrifugation (3-b).

この後、下層のゲル形成ポリマー相のマイクロゲル(沈殿物)と上層の高分子クラウダー相(上清)とを分け取り、マイクロゲルを回収(沈殿回収)する(4-b)。 Then, the microgel (precipitate) of the gel-forming polymer phase in the lower layer and the polymer crowder phase (supernatant) in the upper layer are separated, and the microgel is recovered (precipitate recovery) (4-b).

最後に、必要に応じて、回収したゲル形成ポリマー相のマイクロゲルを再びゾル化/融解させ、濃縮された生体由来物質の液体試料(サンプル)を得る(5)。このサンプルは、適宜、 緩衝液(PBSなど)で希釈し、ゲル形成ポリマーの濃度を下げても良い。 Finally, if necessary, the recovered gel-forming polymer phase microgel is resolized/melted to obtain a liquid specimen (5) of concentrated biological material. This sample may be diluted with a buffer solution (e.g., PBS) to reduce the concentration of the gel-forming polymer.

本実施例2によれば、液体試料から生体由来物質を迅速に、かつ、高効率で濃縮することができる。 According to this embodiment 2, biological substances can be concentrated from liquid samples quickly and efficiently.

上記したように、高い排除体積効果を有する高分子クラウダーによって排斥された生体由来物質が、それのみで沈殿可能なサイズにまで凝集するには時間を要するが、高分子クラウダーと組み合わせることにより二相形成が可能なゲル形成ポリマーをさらに加えることで、液体試料から生体由来物質を迅速に、かつ、高効率で濃縮することができる。 As described above, it takes time for the biological material rejected by the polymer crowder, which has a high excluded volume effect, to aggregate to a size that can be precipitated by itself. However, by further adding a gel-forming polymer that can form a two-phase structure in combination with the polymer crowder, the biological material can be concentrated from the liquid sample quickly and efficiently.

即ち、実施例1,2においては、ゲル形成ポリマーとの親和性が高い生体由来物質が、ゲル形成ポリマー相内へと排斥(分配)される際に、生体由来物質を含んだゲル形成ポリマー相のドロップレットが速やかに形成される(水性二相系の迅速性)。 That is, in Examples 1 and 2, when a biomaterial that has a high affinity for the gel-forming polymer is expelled (distributed) into the gel-forming polymer phase, droplets of the gel-forming polymer phase containing the biomaterial are rapidly formed (rapidity of an aqueous two-phase system).

しかも、ドロップレッドがゲル形成ポリマー相内に取り込まれない場合でも、ゲル形成ポリマー相のドロップレットが形成されることで、高分子クラウダーと生体由来物質との占有可能な空間が制約され(有効濃度が上昇し)、さらに、排除体積効果による生体由来物質の凝集場となる界面(ドロップレットの表面)が多量に形成されるとともに、ドロップレット同士の自発的な融合の繰り返しによって界面上の生体由来物質の凝集が加速することから、速やか、かつ、効率的に排除体積効果による物質の凝集が促進される。 Moreover, even if the droplets are not incorporated into the gel-forming polymer phase, the formation of droplets in the gel-forming polymer phase restricts the space that can be occupied by the polymer crowder and the biological material (increasing the effective concentration), and a large number of interfaces (surfaces of the droplets) that become aggregation sites for the biological material due to the excluded volume effect are formed. Furthermore, repeated spontaneous fusion between the droplets accelerates the aggregation of the biological material on the interfaces, thereby swiftly and efficiently promoting the aggregation of substances due to the excluded volume effect.

さらに、相間の界面張力が小さいために二相の分け取りが困難であるという水性二相系の弱点も、ゲル形成ポリマーの性質(可逆的なゾル/ゲル変換特性)を利用して、一相をゲル相に変換することで克服される(操作性の向上)。 Furthermore, the weakness of aqueous two-phase systems, that is, the difficulty in separating the two phases due to the small interfacial tension between the phases, can be overcome by utilizing the properties of the gel-forming polymer (reversible sol/gel conversion property) to convert one phase into a gel phase (improved operability).

ゲル化誘導の工程を挿入し得るタイミングは二通りの可能性があり、一方は二層分離の工程と相の分取の工程との間(実施例1)、他方はエマルジョン化の工程と二層分離の工程との間(実施例2)であり、いずれも後に続く回収相のみの分取操作が容易になる。 There are two possible times when the gelation induction step can be inserted: one is between the two-phase separation step and the phase separation step (Example 1), and the other is between the emulsification step and the two-phase separation step (Example 2). Either way, it makes it easier to separate only the subsequent recovery phase.

特に、後者の場合には、ゲル化誘導によって、高分子クラウダー相中に分散したまま分離/回収できずに残留していたゲル形成ポリマーやゲル形成ポリマー相のドロップレットが分離/沈殿されやすくなる(二相形成並びに二層分離の効率向上)。これにより、従来の水性二相系において利用可能な至適ポリマー濃度域を下げることが可能となり、系の粘度低下も操作性の向上に繋がる。 In particular, in the latter case, gelation induction makes it easier for the gel-forming polymer and droplets of the gel-forming polymer phase that remain dispersed in the polymer crowder phase and cannot be separated or recovered to separate and precipitate (improving the efficiency of two-phase formation and two-layer separation). This makes it possible to lower the optimal polymer concentration range that can be used in conventional aqueous two-phase systems, and the reduced viscosity of the system also leads to improved operability.

具体例
以下において、ゲル形成ポリマーとしてゼラチンを、高分子クラウダーとしてPEGを、それぞれ用いて、生体由来物質としてEVを濃縮する方法について、具体的に説明する。なお、本実施形態の態様は、この具体例のみに限定されるものではない。
A method for concentrating EVs as a biological substance using gelatin as a gel-forming polymer and PEG as a polymer crowder will be specifically described below. Note that the aspect of the present embodiment is not limited to only this specific example.

上述したように、ゼラチンは、PEGやPVAなどの高分子クラウダーと組み合わせることで、水性二相系を構築することができる。両ポリマーの種類や分子量、系全体の終濃度を調整することで、系の中にゼラチン相がドロップレットとして分散する状態を作り出す。 As mentioned above, gelatin can be combined with a polymer crowder such as PEG or PVA to create an aqueous two-phase system. By adjusting the type and molecular weight of both polymers and the final concentration of the entire system, a state in which the gelatin phase is dispersed as droplets in the system can be created.

例えば、平均分子量が10,000、20,000、60,000、および、100,000のゼラチン(新田ゼラチン社製で、いずれも等電点は5)を、それぞれPBSで膨潤させ、37℃で、1時間、加温しながら撹拌する。そして、5%(w/w)のゼラチン10k溶液と、5%(w/w)のゼラチン20k溶液と、5%(w/w)のゼラチン60k溶液と、5%(w/w)のゼラチン100k溶液と、を調製した。 For example, gelatin with average molecular weights of 10,000, 20,000, 60,000, and 100,000 (manufactured by Nitta Gelatin, all with an isoelectric point of 5) was swollen in PBS and stirred while heating at 37°C for 1 hour. Then, a 5% (w/w) gelatin 10k solution, a 5% (w/w) gelatin 20k solution, a 5% (w/w) gelatin 60k solution, and a 5% (w/w) gelatin 100k solution were prepared.

同様に、例えば、平均分子量が8,000のPEG(MP Biomedicals)と、平均分子量が35,000のPEG(Sigma-Aldrich)と、平均分子量が50,000のDEX(MP Biomedicals)と、をそれぞれPBSで膨潤させ、室温でしっかり撹拌する。そして、20%(w/w)のPEG 8k溶液と、20%(w/w)のPEG 35k溶液と、10%(w/w)のDEX 50k溶液と、を調製した。 Similarly, for example, PEG (MP Biomedicals) with an average molecular weight of 8,000, PEG (Sigma-Aldrich) with an average molecular weight of 35,000, and DEX (MP Biomedicals) with an average molecular weight of 50,000 were each swollen in PBS and thoroughly stirred at room temperature. Then, a 20% (w/w) PEG 8k solution, a 20% (w/w) PEG 35k solution, and a 10% (w/w) DEX 50k solution were prepared.

これに対し、ヒト脂肪由来の間葉系幹細胞hADSCの馴化培地(MEM-α;GIBCO)/培養上清から2段階の低速の遠心分離(それぞれの条件は、4℃、2,000xg、20分間、および、4℃、10,000xg、30分間)により、混在した死細胞や細胞断片を取り除いた。そして、0.22-μmフィルターでろ過した後、超遠心分離(4℃、200,000xg、1時間)によってEVを沈殿させ、夾雑する馴化培地由来のタンパク質を除くためにPBSで再懸濁後、さらに超遠心分離(4℃、200,000xg、1時間)を行うことで、精製EVを回収した。 In response to this, human adipose-derived mesenchymal stem cell (hADSC) conditioned medium (MEM-α; GIBCO)/culture supernatant was subjected to two stages of low-speed centrifugation (4°C, 2,000 x g, 20 min, and 4°C, 10,000 x g, 30 min, respectively) to remove contaminating dead cells and cell fragments. After filtration through a 0.22-μm filter, EVs were precipitated by ultracentrifugation (4°C, 200,000 x g, 1 h), resuspended in PBS to remove contaminating conditioned medium-derived proteins, and then subjected to further ultracentrifugation (4°C, 200,000 x g, 1 h) to recover purified EVs.

PBSにより懸濁したEVに、標識試薬 ExoSparkler Exosome Protein Labeling Kit-Deep Red(同仁化学研究所;以下では、ExoSparklerと記載;キットマニュアルにしたがって調製)を混和し、37℃で、30分間、反応させることで標識した。 EVs suspended in PBS were mixed with the labeling reagent ExoSparkler Exosome Protein Labeling Kit-Deep Red (Dojindo Laboratories; hereafter referred to as ExoSparkler; prepared according to the kit manual) and allowed to react at 37°C for 30 minutes to label them.

標識後、サイズ排除クロマトグラフィカラム(PD-10;Cytiva、バッファとしてPBSを使用)により未反応の標識を取り除くことで、ExoSparkler標識EVサンプルを得た(蛍光測定に使用した励起/蛍光波長は640/680nm)。 After labeling, unreacted label was removed using a size-exclusion chromatography column (PD-10; Cytiva, PBS was used as the buffer) to obtain ExoSparkler-labeled EV samples (excitation/emission wavelengths used for fluorescence measurement were 640/680 nm).

以降、ExoSparkler標識EVサンプルは、ExoSparkler標識EVサンプル量とExoSparkler標識の蛍光量とが直線関係になる濃度範囲内で使用した。 Hereafter, the ExoSparkler-labeled EV sample was used within a concentration range in which the amount of ExoSparkler-labeled EV sample and the fluorescence intensity of the ExoSparkler label were in a linear relationship.

検証1
ここでは、予備実験を行って、ドロップレットのマイクロゲル化による水性二相系での二層分離能の向上とポリマー濃度域の拡大とについて検証した。
Test 1
Here, preliminary experiments were carried out to verify the improvement of two-phase separation ability and the expansion of the polymer concentration range in an aqueous two-phase system by the microgelation of droplets.

本検証1においては、まず、1.5mLのマイクロチューブ内でPEG溶液およびゼラチン溶液とPBSとを合わせて任意のポリマー濃度の系(1mL)を調製し、ボルテックスミキサーでしっかりと撹拌した。 In this experiment 1, first, a system of any polymer concentration (1 mL) was prepared by combining the PEG solution, gelatin solution, and PBS in a 1.5 mL microtube, and then thoroughly mixing the solution with a vortex mixer.

次いで、37℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間遠心し、チューブの底にゼラチン相の層(ゾル)が分離しているかを目視で確認した。 The tube was then centrifuged at 10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 37°C, and visual inspection was performed to see whether a gelatin phase layer (sol) had separated from the bottom of the tube.

ゼラチン相(層)の分離が確認できなかった場合には、再びボルテックスミキサーでしっかりと撹拌した系を、37℃で、10分間静置した後、氷上で10分間、チューブごと冷却した。 If separation of the gelatin phase (layer) was not observed, the system was again thoroughly stirred using a vortex mixer, left to stand at 37°C for 10 minutes, and then cooled in a tube on ice for 10 minutes.

その後、4℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間遠心し、チューブの底にゼラチン相のマイクロゲルが沈殿しているかを目視で確認した。 Then, the mixture was centrifuged at 10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 4°C, and visually inspected to see whether gelatin phase microgels had precipitated at the bottom of the tube.

図3は、系のPEG終濃度とゼラチン終濃度とを2軸とした状態を示すもので、図(a)は、ゼラチンとPEGとからなる水性二相系の組み合わせを、ゼラチン100k-PEG 35kとした場合の結果である。同様に、図(b)は、ゼラチン100k-PEG 8kとした場合の結果であり、図(c)は、ゼラチン20k-PEG 8kとした場合の結果である。 Figure 3 shows the state where the final PEG concentration and final gelatin concentration of the system are on two axes, with figure (a) showing the results when the aqueous two-phase system consisting of gelatin and PEG was gelatin 100k-PEG 35k. Similarly, figure (b) shows the results when the combination was gelatin 100k-PEG 8k, and figure (c) shows the results when the combination was gelatin 20k-PEG 8k.

図3(a)~図3(c)において、高濃度範囲(右上領域)では、ゼラチン相はドロップレットのままでも遠心操作による二層分離が確認できた(図中の〇印)。 In Figures 3(a) to 3(c), in the high concentration range (upper right region), the gelatin phase was separated into two layers by centrifugation even though it remained in droplet form (circles in the figures).

しかしながら、ポリマー濃度を下げていく(左下領域へと移動していく)と、エマルジョン化により系が白濁した(二相形成された)としても、二層分離が認められない濃度範囲が現れた。 However, as the polymer concentration is decreased (moving to the lower left region), a concentration range appears where no separation into two layers is observed, even if the system becomes cloudy due to emulsification (two phases are formed).

ところが、そのような濃度範囲であっても、冷却によりゼラチン相をマイクロゲル化することによって、ゼラチン相をPEG相から沈殿させることができた(図中の■印)。 However, even in this concentration range, the gelatin phase could be precipitated from the PEG phase by microgelling it through cooling (■ in the figure).

なお、図中の×印は、マイクロゲル化しても一相のままで分離しなかった濃度範囲のものである。 The x marks in the figure indicate the concentration range in which the solution remained in one phase even after microgelation and did not separate.

上記の結果から、マイクロゲル化が二層分離に与える影響は、ポリマー分子量が小さいほど顕著であることが分かった。 The above results indicate that the effect of microgelation on bilayer separation is more pronounced as the polymer molecular weight decreases.

即ち、マイクロゲル化工程を導入することで、これまで水性二相系を構築しにくかった低分子量のポリマーを組み合わせても、また、より低濃度のポリマーの組み合わせでも、水性二相系を用いた物質の濃縮が可能になり、併せて、ポリマーの使用に伴う系の粘性の課題も緩和される。 In other words, by introducing the microgelation process, it is now possible to concentrate substances using aqueous two-phase systems, even when combining low molecular weight polymers that have previously been difficult to form into aqueous two-phase systems, or when combining polymers at lower concentrations, and at the same time, the viscosity issues associated with the use of polymers is alleviated.

検証2
ここでは、予備実験を行って、ドロップレットのマイクロゲル化による水性二相系での二層分離能の向上とゼラチン分布の変化とについて検証した。
Test 2
Here, preliminary experiments were carried out to verify the improvement of the two-phase separation ability and the change in gelatin distribution in an aqueous two-phase system due to the microgelation of droplets.

本検証2においては、まず、1.5mLのマイクロチューブ内でPEG溶液およびゼラチン溶液とPBSとを合わせて、終濃度が0.4%のゼラチン(4mg)と任意の終濃度のPEGとからなる一対の系(各1mL)を調製し、ボルテックスミキサーでしっかりと撹拌した。 In this experiment 2, first, the PEG solution, gelatin solution, and PBS were mixed in a 1.5 mL microtube to prepare a pair of systems (1 mL each) consisting of gelatin (4 mg) with a final concentration of 0.4% and PEG with an arbitrary final concentration, and then thoroughly mixed using a vortex mixer.

一方の系は、37℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間遠心した後、氷上で冷却して下層であるゼラチン相をゲル化させ、さらに、上層であるPEG相を別チューブに移動させることで、2層を分け取った。 One system was centrifuged at 10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 37°C, then cooled on ice to gel the lower gelatin phase, and the upper PEG phase was transferred to a separate tube to separate the two layers.

他方の系は、37℃で、10分間静置した後、氷上で10分間、チューブごと冷却した。そして、4℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間遠心した後、上清(PEG相)を別チューブに移動させることで、チューブの底に沈殿したゼラチン相のマイクロゲル沈殿物とPEG相とを分け取った。 The other system was left to stand at 37°C for 10 minutes, and then cooled in a tube on ice for 10 minutes. It was then centrifuged at 10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 4°C, and the supernatant (PEG phase) was transferred to a separate tube, and the microgel precipitate of the gelatin phase that had settled to the bottom of the tube was separated from the PEG phase.

その後、回収したゼラチン相のゲル/マイクロゲル沈殿物は、37℃でインキュベートすることにより、ゾル化させた。 The gel/microgel precipitate of the recovered gelatin phase was then converted into a sol by incubating at 37°C.

図4は、PEG終濃度とゼラチン相へのゼラチンの分布の割合(ゼラチン相ゼラチン分布)とを2軸とした状態を示すもので、図(a)は、ゼラチンとPEGとからなる水性二相系の組み合わせを、ゼラチン100k-PEG 35kとした場合の結果である。同様に、図(b)は、ゼラチン100k-PEG 8kとした場合の結果であり、図(c)は、ゼラチン60k-PEG 8kとした場合の結果であり、図(d)は、ゼラチン20k-PEG 8kとした場合の結果であり、図(e)は、ゼラチン10k-PEG 8kとした場合の結果である。 Figure 4 shows the biaxial relationship between the final PEG concentration and the distribution ratio of gelatin in the gelatin phase (gelatin distribution in the gelatin phase), with (a) showing the results when the aqueous two-phase system consisting of gelatin and PEG was gelatin 100k-PEG 35k. Similarly, (b) shows the results when gelatin 100k-PEG 8k, (c) shows the results when gelatin 60k-PEG 8k, (d) shows the results when gelatin 20k-PEG 8k, and (e) shows the results when gelatin 10k-PEG 8k.

ここでは、ゼラチン相とPEG相中のタンパク質濃度とを、BCAタンパク質アッセイキット(Thermo Scientific)により定量化し、系に添加したゼラチン(4mg)のうち、ゼラチンゲルもしくはマイクロゲル沈殿物として回収されたゼラチンの割合をゼラチン相ゼラチン分布として求めた。 Here, the protein concentrations in the gelatin phase and the PEG phase were quantified using a BCA protein assay kit (Thermo Scientific), and the proportion of gelatin recovered as gelatin gel or microgel precipitate out of the gelatin (4 mg) added to the system was calculated as the gelatin distribution in the gelatin phase.

図4(a)~図4(e)からも明らかなように、二層分離後のゼラチン相へのゼラチンの分布はポリマー分子量に影響され、組み合わせるゼラチン分子量が大きいほど、また、PEG分子量が大きいほど、ゼラチン相の分離が促進された。 As is clear from Figures 4(a) to 4(e), the distribution of gelatin in the gelatin phase after two-layer separation is affected by the polymer molecular weight, and the separation of the gelatin phase is promoted the greater the molecular weight of the gelatin combined and the greater the molecular weight of the PEG.

また、同じポリマー濃度であっても、ドロップレットのまま二層分離(図中の〇)させるよりも、マイクロゲル化してから沈降(図中の■)させた方が、より効率的にPEG相からゼラチン(相)を分離できることが分かった。 In addition, even with the same polymer concentration, it was found that the gelatin (phase) could be separated from the PEG phase more efficiently by forming a microgel and then allowing it to settle (■ in the figure) rather than separating the droplets into two layers (circle in the figure).

上記の結果から、ドロップレットのマイクロゲル化により、系全体に分散するドロップレットが効率よく他相から分離されて二層分離が促進されること、また実現の難しかった低濃度・低分子量ポリマーの組み合わせによる水性二相系の構築が可能となり、粘度の低下による操作性の向上がもたらされる。 The above results show that microgelation of droplets efficiently separates the droplets dispersed throughout the system from the other phase, promoting two-phase separation. It also makes it possible to construct an aqueous two-phase system by combining low-concentration, low-molecular-weight polymers, which was previously difficult to achieve, and improves operability by reducing viscosity.

検証3
ここでは、ゼラチン-PEG ATPSを用いた濃縮方法におけるEV回収率の向上に対するドロップレットのマイクロゲル化の効果について検証を行った。
Test 3
Here, we examined the effect of droplet microgelation on improving EV recovery in a concentration method using gelatin-PEG ATPS.

本検証3においては、まず、1.5mLのマイクロチューブ内で、ExoSparkler標識EVサンプルと、ゼラチン溶液と、PEG溶液と、DEX溶液と、PBSと、を適宜組み合わせて、図5に示すようなポリマー終濃度の系(1mL)1~8を調製した。 In this verification 3, first, ExoSparkler-labeled EV sample, gelatin solution, PEG solution, DEX solution, and PBS were appropriately combined in a 1.5 mL microtube to prepare systems (1 mL) 1 to 8 with the final polymer concentrations shown in Figure 5.

系1~6は、0.4%のゼラチン(ゼラチン分子量が100k、60k、20k)-7%のPEG 8kのゼラチン-PEG ATPSとした。系7は、7%のPEG 8kのPEG沈殿系とし、系8は、7%のPEG 8k-1%のDEX 50kのPEG-DEX ATPSとした。 Systems 1-6 were gelatin-PEG ATPS with 0.4% gelatin (gelatin molecular weights 100k, 60k, 20k) - 7% PEG 8k. System 7 was a PEG precipitation system with 7% PEG 8k, and system 8 was a PEG-DEX ATPS with 7% PEG 8k - 1% DEX 50k.

系1,3,5は、ドロップレット分離により調製されたゼラチン-PEG ATPSであって、後掲する下記表1に示すように、ボルテックスミキサー(Vortex)でしっかりと撹拌される。そして、ゼラチン相がドロップレットのまま遠心分離(37℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間)された後、氷上でゲル化させた下層がPEG相から回収されることによってサンプル化される。 Systems 1, 3, and 5 are gelatin-PEG ATPS prepared by droplet separation, and are thoroughly stirred in a vortex mixer as shown in Table 1 below. The gelatin phase is then centrifuged as droplets (10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 37°C), and the lower layer gelled on ice is collected from the PEG phase to prepare a sample.

系2,4,6は、マイクロゲル分離により調製されたゼラチン-PEG ATPSであって、後掲する下記表1に示すように、ボルテックスミキサーでしっかりと撹拌され、37℃下での10分間のインキュベーションの後、氷上で10分間冷却される(マイクロゲル化)。遠心操作(4℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間)により二層分離された後、沈殿させたマイクロゲルがPEG相から回収されることによってサンプル化される。 Systems 2, 4, and 6 are gelatin-PEG ATPS prepared by microgel separation, and as shown in Table 1 below, are thoroughly mixed with a vortex mixer, incubated at 37°C for 10 minutes, and then cooled on ice for 10 minutes (microgelation). After separation into two layers by centrifugation (10,000 xg for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 4°C), the precipitated microgel is collected from the PEG phase to prepare a sample.

系7は、系1~6における二相形成の効果を示すために、ゼラチン添加を省いた系、つまりPEG沈殿法に相当する系であって、後掲する下記表1に示すように、ボルテックスミキサーによる撹拌の後に遠心分離(37℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間)が行われて、沈殿物が回収されることによってサンプル化される。本発明の操作と条件を合わせたことで、一般的なPEG沈殿法の系と比べ、インキュベーション工程が省かれ、遠心時間も短縮されていることに留意すべきである。 System 7 is a system in which the addition of gelatin is omitted in order to demonstrate the effect of two-phase formation in systems 1 to 6, i.e., a system equivalent to the PEG precipitation method. As shown in Table 1 below, after stirring with a vortex mixer, centrifugation (10,000 xg for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 37°C) is performed, and the precipitate is collected to prepare a sample. It should be noted that by combining the operations and conditions of the present invention, the incubation step is omitted and the centrifugation time is also shortened compared to the general PEG precipitation method system.

系8は、従来の水性二相系により調製されたPEG-DEX ATPSであって、後掲する下記表1に示すように、ボルテックスミキサーによる撹拌の後、4℃に設定した卓上遠心機により、10,000xgで、10分間遠心され、下層が回収されることによってサンプル化される。 System 8 is a PEG-DEX ATPS prepared using a conventional aqueous two-phase system, which is sampled by mixing with a vortex mixer, centrifuging at 10,000 x g for 10 minutes in a tabletop centrifuge set at 4°C, and collecting the bottom layer, as shown in Table 1 below.

なお、回収したサンプルがゲル化されている系1~6では、加温(37℃)により融解後、再ゲル化を妨げるために、適宜PBSにより希釈される。 In addition, in the cases of systems 1 to 6 in which the collected samples were gelled, they were melted by heating (37°C) and then appropriately diluted with PBS to prevent re-gelation.

Figure 0007638481000001
Figure 0007638481000001

図5に示すように、回収したサンプルの蛍光量(励起波長を640nm、蛍光波長を680nm)からEV回収率(系に加えたEV量のうち、濃縮回収されたEV量の割合)を見積もったところ、同じ組成の系であっても、ゼラチン相をドロップレット状態のまま遠心分離する系1,3,5よりも、マイクロゲル化して遠心分離する系2,4,6の方が、EV回収率が向上することが分かった。このマイクロゲル化による回収率向上の効果は、二相形成/二層分離が起こりにくい低分子量のポリマーを組み合わせた系5,6間において、特に顕著となった。 As shown in Figure 5, the EV recovery rate (proportion of concentrated EV recovered from the amount of EV added to the system) was estimated from the amount of fluorescence of the recovered sample (excitation wavelength 640 nm, fluorescence wavelength 680 nm). It was found that, even in systems with the same composition, systems 2, 4, and 6, in which the gelatin phase was microgelled and then centrifuged, had a higher EV recovery rate than systems 1, 3, and 5, in which the gelatin phase was centrifuged while still in droplet form. This effect of improving the recovery rate by microgelling was particularly noticeable in systems 5 and 6, which combined low molecular weight polymers that are less likely to form two phases/separate into two layers.

なお、同じ濃度・同じ分子量の高分子クラウダーを用いても、二相が形成されない系7では、系1~6と比して、極僅かしかEVを回収できなかった。このことから、本発明の濃縮技術におけるドロップレット/マイクロゲル形成の有用性が示される。 Even when the same concentration and molecular weight of the polymer crowder was used, in system 7 where two phases were not formed, only a very small amount of EVs could be recovered compared to systems 1 to 6. This demonstrates the usefulness of droplet/microgel formation in the concentration technique of the present invention.

系7を水性二相系同様の時短工程で処理したPEG沈殿系とみなせば、その回収率の低さから、水性二相系を用いた濃縮方法のタイムパフォーマンスの高さが示唆される(後述する検証5(図7)における、充分な時間のインキュベーションと遠心処理工程を経たPEG沈殿系でのEV回収率との違いに留意すべき)。 If system 7 is considered to be a PEG precipitation system that has been processed using the same time-saving process as the aqueous two-phase system, its low recovery rate suggests the high time performance of the concentration method using an aqueous two-phase system (note the difference in EV recovery rate in the PEG precipitation system that underwent sufficient incubation and centrifugation processes in verification 5 (Figure 7) described below).

ドロップレット分離およびマイクロゲル分離のいずれであっても、ゼラチン相のゲル化を伴うゼラチン-PEG 系1~6は、上下層とも液相である従来の一般的なPEG-DEX 系8よりも、作業性(操作性)が大幅に向上する。 Whether it is droplet separation or microgel separation, the gelatin-PEG systems 1 to 6, which involve gelation of the gelatin phase, offer significantly improved workability (operability) compared to the conventional general PEG-DEX system 8, in which both the upper and lower layers are liquid phases.

加えて、特に、マイクロゲル分離を行う系2,4,6では系8よりもEV回収率の増加がみとめられ、従来のATPSを用いた濃縮法よりも、本発明の濃縮法の方が操作性と回収効率とにおいて、優位性が認められる。 In addition, in particular, systems 2, 4, and 6, which perform microgel separation, showed an increase in EV recovery rate compared to system 8, and the concentration method of the present invention was found to be superior in terms of operability and recovery efficiency to the concentration method using conventional ATPS.

検証4
ここでは、ゼラチン相のマイクロゲル化工程を含むゼラチン-PEG ATPSを用いた濃縮方法と、従来のPEG-DEX ATPSを用いた濃縮方法と、の比較を行った。
Test 4
Here, a concentration method using gelatin-PEG ATPS, which includes a microgelation step of the gelatin phase, was compared with a conventional concentration method using PEG-DEX ATPS.

本検証4においては、まず、1.5mLのマイクロチューブ内で、ExoSparkler標識EVサンプル、もしくは、0.22μmフィルターでろ過した仔ウシ血清(FCS)サンプルへ、ゼラチン20k溶液と、ゼラチン100k溶液と、PEG 8k溶液と、DEX 50k溶液と、PBSと、を適宜組み合わせて、ATPS(1mL)を調製した。 In this verification 4, first, in a 1.5 mL microtube, an ExoSparkler-labeled EV sample or a calf serum (FCS) sample filtered through a 0.22 μm filter was added to an appropriate combination of gelatin 20k solution, gelatin 100k solution, PEG 8k solution, DEX 50k solution, and PBS to prepare ATPS (1 mL).

ゼラチン終濃度は0.4%、DEX終濃度は1%とし、PEG終濃度は7%もしくは15%とした。さらに、FCSタンパク質定量のために、標識EVサンプルもFCSサンプルも加えないバックグラウンド(BKG)の系も調製した。 The final gelatin concentration was 0.4%, the final DEX concentration was 1%, and the final PEG concentration was 7% or 15%. In addition, for FCS protein quantification, a background (BKG) system was also prepared in which neither the labeled EV sample nor the FCS sample was added.

ゼラチン-PEG ATPSにおいては、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPS(0.4% ゼラチン100k-PEG 8k)を用いた濃縮方法において、ボルテックスミキサーにより撹拌した系を、37℃と氷上とでそれぞれ10分間インキュベーションした後、遠心分離(4℃、10,000xg、10分間)した。 In the case of gelatin-PEG ATPS, in the concentration method using the gelatin-PEG ATPS (0.4% gelatin 100k-PEG 8k) of Example 2, the system was stirred using a vortex mixer, incubated at 37°C and on ice for 10 minutes each, and then centrifuged (4°C, 10,000xg, 10 minutes).

そして、上清(PEG相)を分け取り、得られたゼラチン相のマイクロゲル沈殿物を37℃で融解し、PBSを添加して100μLに調製した。 Then, the supernatant (PEG phase) was separated, and the resulting gelatin phase microgel precipitate was melted at 37°C and PBS was added to make a volume of 100 μL.

一方、PEG-DEX ATPS(PEG 8k-1% DEX 50k)を用いた濃縮方法においては、ボルテックスミキサーにより撹拌した系を遠心分離(4℃、10,000xg、10分間)し、上層(PEG相)を分け取って、下層(DEX相)を得た。 On the other hand, in the concentration method using PEG-DEX ATPS (PEG 8k-1% DEX 50k), the system stirred using a vortex mixer was centrifuged (4°C, 10,000 xg, 10 minutes), the upper layer (PEG phase) was separated, and the lower layer (DEX phase) was obtained.

EV回収率に関しては、EVに標識したExoSparkler蛍光量に基づいて測定した。FCSタンパク質コンタミ量に関しては、FCSサンプルを添加した系とBKG系の上下層のタンパク質濃度をBCAタンパク質アッセイキット(Thermo Scientific)により定量化し、FCSサンプル系のタンパク質濃度からBKG系のタンパク質濃度を減算することで、FCSタンパク質の濃度を補正した。 EV recovery was measured based on the amount of ExoSparkler fluorescence labeled with EV. For FCS protein contamination, the protein concentrations in the upper and lower layers of the system to which the FCS sample was added and the BKG system were quantified using a BCA Protein Assay Kit (Thermo Scientific), and the FCS protein concentration was corrected by subtracting the protein concentration of the BKG system from the protein concentration of the FCS sample system.

FCSタンパク質コンタミ率は、系に添加したFCSタンパク質のうち、下層に取り込まれたFCSタンパク質の割合として見積もられた。 The FCS protein contamination rate was estimated as the percentage of FCS protein that was incorporated into the lower layer out of the total FCS protein added to the system.

図6は、本発明(実施例2)の濃縮方法と従来のPEG-DEX ATPSを用いた濃縮方法でのEV回収率(縦軸)とFCSタンパク質コンタミ率(横軸)を2軸としたプロットである。 Figure 6 is a plot with two axes representing the EV recovery rate (vertical axis) and the FCS protein contamination rate (horizontal axis) for the concentration method of the present invention (Example 2) and the conventional concentration method using PEG-DEX ATPS.

従来のPEG-DEX系ではPEG相とDEX相との界面張力を増加させ相分離を促進するためにPEG濃度を増加させると、系の粘度が増加するため相(層)の分け取り操作が困難となるだけでなく、PEG-DEX系のプロット(図6中の△)の横方向への広がりから、濃縮されたEVサンプル中に共に取り込まれるFCSタンパク質コンタミ率がPEG濃度の上昇に伴い増加することが示される。 In the conventional PEG-DEX system, when the PEG concentration is increased to increase the interfacial tension between the PEG and DEX phases and promote phase separation, not only does the viscosity of the system increase, making it difficult to separate the phases (layers), but the lateral spread of the plot for the PEG-DEX system (△ in Figure 6) indicates that the rate of FCS protein contamination incorporated into the concentrated EV sample increases with increasing PEG concentration.

それに対し、本発明では、ゼラチン分子量に関わらず、プロット(図6中の●■〇□)がPEG-DEX系のプロット域とは独立して左上領域に集中することから、EVサンプル中のFCSタンパク質コンタミ率はPEG-DEX系よりも低レベルに抑えられ、かつ、EV回収率は高レベルに向上したことが示された。 In contrast, in the present invention, regardless of the gelatin molecular weight, the plots (●■〇□ in Figure 6) are concentrated in the upper left region independently of the PEG-DEX system plot region, indicating that the FCS protein contamination rate in the EV sample was suppressed to a lower level than the PEG-DEX system, and the EV recovery rate was improved to a high level.

上記の結果から、従来のATPSを用いた濃縮法よりも、本発明の濃縮法、特にドロップレットのマイクロゲル化を含む実施例2の濃縮法の方が、EV濃縮において、EV回収率に加え、馴化培地等に含まれるFCSタンパク質の除去能が高い利点が認められる。 The above results show that the concentration method of the present invention, particularly the concentration method of Example 2 including droplet microgelation, has the advantage of not only a higher EV recovery rate in EV concentration, but also a higher ability to remove FCS proteins contained in conditioned media, etc., than the conventional concentration method using ATPS.

また、細胞培養後の馴化培地(培養液)/培養上清に、直接、高分子クラウダーと可逆的ゲル形成ポリマーなどを添加し、多相形成することでも、濃縮を達成し得る。 Concentration can also be achieved by directly adding a polymer crowder and a reversible gel-forming polymer to the conditioned medium (culture fluid)/culture supernatant after cell culture to form multiple phases.

検証5
ここでは、ゼラチン相のマイクロゲル化工程を含むゼラチン-PEG ATPSを用いた濃縮方法でのEV回収率と、他の濃縮方法によるEV回収率との比較を行った。
Test 5
Here, we compared the EV recovery rate of the concentration method using gelatin-PEG ATPS, which includes a microgelation step of the gelatin phase, with the EV recovery rate of other concentration methods.

図7は、検証5の結果として、実施例2で示した濃縮方法により回収/濃縮されたEV回収率を、従来の一般的な方法により回収/濃縮されたEV回収率と、対比して示すものである。 Figure 7 shows the results of verification 5, comparing the recovery rate of EVs recovered/concentrated using the concentration method shown in Example 2 with the recovery rate of EVs recovered/concentrated using conventional methods.

EV回収率の算出には、ExoSparkler標識EVサンプルを、以下の方法によって回収/濃縮したものを用いた(超遠心分離では、10-mLの遠心チューブを用いた10mLの系、水性二相系およびポリマー沈殿を用いた方法では、1.5-mLのマイクロチューブを用いた1mLの系)。 To calculate the EV recovery rate, ExoSparkler-labeled EV samples were used that were recovered/concentrated by the following methods (for ultracentrifugation, a 10-mL system using a 10-mL centrifuge tube, and for the aqueous two-phase system and polymer precipitation method, a 1-mL system using a 1.5-mL microtube).

即ち、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPS(0.4%のゼラチン100k-7%のPEG 8k)を用いた濃縮方法においては、ボルテックスミキサーにより撹拌した系を、37℃と氷上とでそれぞれ10分間インキュベーションした後、遠心分離(4℃、10,000xg、10分間)した。そして、上清(PEG相)を分け取り、得られたゼラチン相のマイクロゲル沈殿物を37℃で融解し、PBSを添加して100μLに調製した。 In other words, in the concentration method using gelatin-PEG ATPS (0.4% gelatin 100k-7% PEG 8k) according to Example 2, the system was stirred using a vortex mixer, incubated at 37°C and on ice for 10 minutes each, and then centrifuged (4°C, 10,000xg, 10 minutes). The supernatant (PEG phase) was then separated, and the resulting gelatin phase microgel precipitate was melted at 37°C and PBS was added to make the volume 100 μL.

一方、PEG-DEX ATPS(7%のPEG 8k-1%のDEX 50k)を用いた濃縮方法においては、ボルテックスミキサーにより撹拌した系を遠心分離(4℃、10,000xg、10分間)し、上層(PEG相)を分け取って、下層(DEX相)を得た。 On the other hand, in the concentration method using PEG-DEX ATPS (7% PEG 8k-1% DEX 50k), the system stirred using a vortex mixer was centrifuged (4°C, 10,000 xg, 10 minutes), the upper layer (PEG phase) was separated, and the lower layer (DEX phase) was obtained.

また、ポリマー沈殿-TEI(Total Exosome Isolation Reagent、Invitrogen)を用いた濃縮方法においては、マニュアルにしたがって系を調製し、4℃で、overnightのインキュベートを行った後、遠心分離(4℃、10,000xg、60分間)して沈殿物を得た。 In the concentration method using polymer precipitation-TEI (Total Exosome Isolation Reagent, Invitrogen), the system was prepared according to the manual, incubated overnight at 4°C, and then centrifuged (4°C, 10,000 x g, 60 minutes) to obtain a precipitate.

また、PEG沈殿法(7%のPEG 8k)においては、調製した系を、4℃で、overnightのインキュベートを行った後、遠心分離(4℃、10,000xg、60分間)して沈殿物を得た。 In the PEG precipitation method (7% PEG 8k), the prepared system was incubated overnight at 4°C and then centrifuged (4°C, 10,000 x g, 60 minutes) to obtain a precipitate.

また、超遠心分離法においては、PBSで液量を10mLに調整後、超遠心分離(4℃、200,000xg、60分間)して沈殿物を得た。 For ultracentrifugation, the liquid volume was adjusted to 10 mL with PBS, and then ultracentrifuged (4°C, 200,000 x g, 60 minutes) to obtain a precipitate.

これに対し、サイズ排除クロマトグラフィ法においては、PBSで液量を0.5mLに調整後、マニュアルにしたがってカラムqEV original GEN 2(IZON)上にロードし、PBSで溶出し、2.2-3.4mL画分をサンプルとして回収した。 In contrast, in the size exclusion chromatography method, the liquid volume was adjusted to 0.5 mL with PBS, and then loaded onto a qEV original GEN 2 (IZON) column according to the manual, eluted with PBS, and the 2.2-3.4 mL fraction was collected as the sample.

図7からも明らかなように、それぞれに得られたサンプルのExoSparkler標識の蛍光量からEV回収率を求めたところ、実施例2に係るゼラチン-PEG ATPSは、一般的なPEG-DEX ATPSを用いた濃縮方法やポリマー沈殿法などと比べ、操作性の向上または操作時間の短縮に加え、高いEV回収率を示した。 As is clear from Figure 7, when the EV recovery rate was calculated from the amount of fluorescence of the ExoSparkler label for each sample obtained, the gelatin-PEG ATPS of Example 2 showed improved operability and shorter operation time as well as a high EV recovery rate compared to the general concentration method using PEG-DEX ATPS and the polymer precipitation method.

上記したように、本実施形態によれば、ポリマー沈殿のメカニズムの一つである排除体積効果による粒子の排斥と、水性二相系の速やかな二相形成、そしてゲル形成ポリマーの可逆的なゾル/ゲル変換特性を組み合わせることで、簡便、かつ、効率的な生体由来物質の回収/濃縮が可能となる。 As described above, this embodiment combines particle expulsion due to the excluded volume effect, which is one of the mechanisms of polymer precipitation, with the rapid formation of two phases in an aqueous two-phase system, and the reversible sol/gel conversion properties of the gel-forming polymer, enabling simple and efficient recovery/concentration of biological materials.

即ち、液体試料に対して、高分子クラウダーと、該高分子クラウダーとの組み合わせにより二相形成可能なゲル形成ポリマーと、を加えることにより、液体試料から生体由来物質を迅速、かつ、簡便に、高効率で濃縮することが可能となる。 That is, by adding a polymer crowder and a gel-forming polymer that can form two phases in combination with the polymer crowder to a liquid sample, it becomes possible to rapidly, easily, and efficiently concentrate biological substances from the liquid sample.

なお、本明細書中では、1種の高分子クラウダーと1種の可逆的ゲル形成ポリマーとを含む水性二相系に限定して記述したが、さらに1種以上の高分子クラウダーや1種以上のゲル形成ポリマーなどを追加した水性多相系(多層)としても、本発明の目的達成を阻害しない限り、差し支えない。 In this specification, the description is limited to an aqueous two-phase system containing one type of polymer crowder and one type of reversible gel-forming polymer, but an aqueous multiphase system (multilayer) to which one or more types of polymer crowder or one or more types of gel-forming polymer are further added may be used as long as it does not impede the achievement of the object of the present invention.

以上、実施の形態を例示して本発明の態様について説明したが、一例であり、特許請求の範囲に記載される発明の範囲は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更できるものである。 The above describes the aspects of the present invention by illustrating the embodiments, but these are merely examples, and the scope of the invention described in the claims can be modified in various ways without departing from the gist of the invention.

Claims (3)

生体由来物質の濃縮方法であって、
前記生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマーとを添加し、撹拌する工程と、
遠心分離によって、前記液体試料を高分子クラウダー相からなる高分子クラウダー層およびゲル形成ポリマー相からなるゲル形成ポリマー層を含む、多層に分離する工程と、
前記ゲル形成ポリマー層のゲル化を誘導する工程と、
ゲル化された前記ゲル形成ポリマー層を分け取る工程と、
を備え
前記生体由来物質は、細胞外小胞であり、
前記高分子クラウダーは、分子クラウディング効果を有するポリマーであって、平均分子量が8,000~35,000で、終濃度が5~15%のPEGであり、
前記ゲル形成ポリマー相は、繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーであって、平均分子量が10,000~100,000で、終濃度が0.1~0.5%のゼラチンである
ことを特徴とする生体由来物質の濃縮方法。
A method for concentrating a biological substance, comprising the steps of:
adding a polymer crowder and a gel-forming polymer having reversible sol/gel conversion properties to the liquid sample containing the biological material, and stirring the liquid sample;
separating the liquid sample into multiple layers by centrifugation, the multiple layers including a polymeric crowder layer comprising a polymeric crowder phase and a gel-forming polymer layer comprising a gel-forming polymer phase;
inducing gelation of said gel-forming polymer layer;
Separating the gelled gel-forming polymer layer;
Equipped with
The biological material is an extracellular vesicle,
The polymer crowder is a polymer having a molecular crowding effect, and is PEG having an average molecular weight of 8,000 to 35,000 and a final concentration of 5 to 15%;
The gel-forming polymer phase is a polymer capable of repeated sol/gel conversion, has an average molecular weight of 10,000 to 100,000, and is gelatin at a final concentration of 0.1 to 0.5%.
A method for concentrating a biological substance, comprising:
生体由来物質の濃縮方法であって、
前記生体由来物質を含む液体試料に、高分子クラウダーと可逆的なゾル/ゲル変換特性を有するゲル形成ポリマー相とを添加し、撹拌する工程と、
前記ゲル形成ポリマー相のドロップレットのゲル化を誘導する工程と、
遠心分離によって、前記液体試料を高分子クラウダー相からなる高分子クラウダー層およびゲル化されたゲル形成ポリマー層を含む、多層に分離する工程と、
ゲル化された前記ゲル形成ポリマー層を分け取る工程と、
を備え
前記生体由来物質は、細胞外小胞であり、
前記高分子クラウダーは、分子クラウディング効果を有するポリマーであって、平均分子量が8,000~35,000で、終濃度が5~15%のPEGであり、
前記ゲル形成ポリマー相は、繰返しゾル/ゲル転換可能なポリマーであって、平均分子量が10,000~100,000で、終濃度が0.1~0.5%のゼラチンである
ことを特徴とする生体由来物質の濃縮方法。
A method for concentrating a biological substance, comprising the steps of:
adding a polymer crowder and a gel-forming polymer phase having reversible sol/gel conversion properties to the liquid sample containing the biological material, and stirring the liquid sample;
inducing gelation of droplets of said gel-forming polymer phase;
separating the liquid sample into multiple layers, including a polymeric crowder layer consisting of a polymeric crowder phase and a gelled gel-forming polymer layer, by centrifugation;
Separating the gelled gel-forming polymer layer;
Equipped with
The biological material is an extracellular vesicle,
The polymer crowder is a polymer having a molecular crowding effect, and is PEG having an average molecular weight of 8,000 to 35,000 and a final concentration of 5 to 15%;
The gel-forming polymer phase is a polymer capable of repeated sol/gel conversion, has an average molecular weight of 10,000 to 100,000, and is gelatin at a final concentration of 0.1 to 0.5%.
A method for concentrating a biological substance, comprising:
分け取った前記ゲル形成ポリマー層のゾル化を誘導し、融解させる工程を、さらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の生体由来物質の濃縮方法。3. The method for concentrating a biological substance according to claim 1, further comprising the step of inducing the separated gel-forming polymer layer to become a sole and melting it.
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