[论文解读] The effects of subdiffusion on the NTA size measurements of extracellular vesicles in biological samples

M. Majka, Martyna Durak-Kozica+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2017

Fractional Differential Equations Solutions参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种对数亚扩散模型，用于校正因异常（亚扩散）粒子运动导致系统性高估的纳米颗粒追踪分析（NTA）外泌体（EV）尺寸测量结果。通过用亚扩散模型（MSD ∝ t^α，0 < α < 1）替代标准斯托克斯-爱因斯坦假设的线性均方位移（MSD ∝ t），该方法将平均EV尺寸估计值相比正常扩散模型降低了约50%，使其与原子力显微镜（AFM）数据更加一致。

ABSTRACT

The interest in the extracellular vesicles (EVs) is rapidly growing as they became reliable biomarkers for many diseases. For this reason, fast and accurate techniques of EVs size characterization are the matter of utmost importance. One increasingly popular technique is the Nanoparticle Tracking Analysis (NTA), in which the diameters of EVs are calculated from their diffusion constants. The crucial assumption here is that the diffusion in NTA follows the Stokes-Einstein relation, i.e. that the Mean Square Displacement (MSD) of a particle grows linearly in time (MSD $\propto t$). However, we show that NTA violates this assumption in both artificial and biological samples, i.e. a large population of particles show a strongly sub-diffusive behaviour (MSD $\propto t^α$, $0

研究动机与目标

• 解决由于亚扩散粒子运动导致的纳米颗粒追踪分析（NTA）中外泌体（EV）尺寸系统性高估的问题。
• 解决NTA与直接成像技术（如AFM）之间长期存在的差异问题，该差异可达2至4倍。
• 开发一种稳健、数据驱动的NTA分析协议，可考虑多分散生物样本中的亚扩散行为，且不引入虚假伪影。
• 提供一种实用且可解析处理的模型，将广义扩散系数与亚扩散条件下的粒子尺寸关联起来。
• 通过与AFM测量结果对比，验证该模型在复杂生物系统中优于标准NTA和有限轨迹长度校正（FTLA）的性能。

提出的方法

• 分析NTA中均方位移（MSD）轨迹，检测聚苯乙烯微球和生物EV样本中亚扩散行为（MSD ∝ t^α，0 < α < 1）的存在。
• 提出一种对数亚扩散模型，将广义扩散系数与粒子直径关联，实现在异常扩散条件下的尺寸推断。
• 将该模型应用于重新分析患者来源EV样本（P1、P2、P3）的NTA数据，以亚扩散动力学替代标准斯托克斯-爱因斯坦假设。
• 将结果与标准NTA（正常扩散）、FTLA及AFM测量结果进行比较，以验证准确性和分布形状。
• 实施数据筛选协议，排除非扩散或非平稳轨迹，确保MSD拟合的可靠性。
• 使用AFM作为金标准参考，验证尺寸分布并评估不同技术之间的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 NTA中亚扩散运动在多大程度上违反了斯托克斯-爱因斯坦假设的线性MSD与时间关系，以及这如何影响EV尺寸估计？
• RQ2 在多分散、生物复杂样本中，FTLA失效时，亚扩散模型能否准确恢复EV尺寸分布？
• RQ3 NTA与AFM尺寸测量结果之间的差异在不同EV样本中如何变化，是否可完全由异常扩散解释？
• RQ4 与标准NTA相比，所提出的对数亚扩散模型是否能减少EV尺寸的高估？与FTLA相比表现如何？
• RQ5 FTLA在高度多分散样本中的局限性是什么？亚扩散建模能否提供更可靠的替代方案？

主要发现

• 在人工和生物EV样本中，亚扩散行为（MSD ∝ t^α，0 < α < 1）普遍存在，违反了标准NTA的线性MSD假设。
• 所提出的对数亚扩散模型相比基于标准斯托克斯-爱因斯坦分析的NTA，将平均NTA估算的EV直径降低了约50%。
• 对于小颗粒（约200 nm），亚扩散模型的精度与最先进的FTLA方法相当。
• 亚扩散模型生成的尺寸分布与AFM数据在形状和平均尺寸上高度一致，P1、P2和P3的平均直径分别为223、155和143 nm。
• 相比之下，标准NTA相比AFM将EV尺寸高估了4.0至5.5倍，表明存在严重的系统性偏差。
• FTLA在尺寸分布中产生与AFM数据不一致的虚假多重峰，表明在多分散样本中存在伪影；而亚扩散模型避免了此类失真。