Implementation of pair correlation analysis for photoactivated localization microscopy allows quantitative analysis of protein clustering in the plasma membrane, revealing the degree to which different perturbations alter protein arrangements. Photoactivated localization microscopy (PALM) is a powerful approach for investigating protein organization, yet tools for quantitative, spatial analysis of PALM datasets are largely missing. Combining pair-correlation analysis with PALM (PC-PALM), we provide a method to analyze complex patterns of protein organization across the plasma membrane without determination of absolute protein numbers. The approach uses an algorithm to distinguish a single protein with multiple appearances from clusters of proteins. This enables quantification of different parameters of spatial organization, including the presence of protein clusters, their size, density and abundance in the plasma membrane. Using this method, we demonstrate distinct nanoscale organization of plasma-membrane proteins with different membrane anchoring and lipid partitioning characteristics in COS-7 cells, and show dramatic changes in glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored protein arrangement under varying perturbations. PC-PALM is thus an effective tool with broad applicability for analysis of protein heterogeneity and function, adaptable to other single-molecule strategies.

Abstract Extracellular vesicles (EVs), through their complex cargo, can reflect the state of their cell of origin and change the functions and phenotypes of other cells. These features indicate strong biomarker and therapeutic potential and have generated broad interest, as evidenced by the steady year‐on‐year increase in the numbers of scientific publications about EVs. Important advances have been made in EV metrology and in understanding and applying EV biology. However, hurdles remain to realising the potential of EVs in domains ranging from basic biology to clinical applications due to challenges in EV nomenclature, separation from non‐vesicular extracellular particles, characterisation and functional studies. To address the challenges and opportunities in this rapidly evolving field, the International Society for Extracellular Vesicles (ISEV) updates its ‘Minimal Information for Studies of Extracellular Vesicles’, which was first published in 2014 and then in 2018 as MISEV2014 and MISEV2018, respectively. The goal of the current document, MISEV2023, is to provide researchers with an updated snapshot of available approaches and their advantages and limitations for production, separation and characterisation of EVs from multiple sources, including cell culture, body fluids and solid tissues. In addition to presenting the latest state of the art in basic principles of EV research, this document also covers advanced techniques and approaches that are currently expanding the boundaries of the field. MISEV2023 also includes new sections on EV release and uptake and a brief discussion of in vivo approaches to study EVs. Compiling feedback from ISEV expert task forces and more than 1000 researchers, this document conveys the current state of EV research to facilitate robust scientific discoveries and move the field forward even more rapidly.

Bayesian analysis of fluorophore blinking and bleaching in image data collected from simple xenon arc lamp illumination and high-speed wide-field imaging of standard fluorescent proteins allows localization microscopy in living cells with a 50 nm spatial and a 4 s temporal resolution. We describe a localization microscopy analysis method that is able to extract results in live cells using standard fluorescent proteins and xenon arc lamp illumination. Our Bayesian analysis of the blinking and bleaching (3B analysis) method models the entire dataset simultaneously as being generated by a number of fluorophores that may or may not be emitting light at any given time. The resulting technique allows many overlapping fluorophores in each frame and unifies the analysis of the localization from blinking and bleaching events. By modeling the entire dataset, we were able to use each reappearance of a fluorophore to improve the localization accuracy. The high performance of this technique allowed us to reveal the nanoscale dynamics of podosome formation and dissociation throughout an entire cell with a resolution of 50 nm on a 4-s timescale.

Naltrexone (NTX), a homolog of the opiate antidote naloxone, is an orally active long-acting general opioid receptor antagonist used in the treatment of opiate dependence. NTX is also found to relieve craving for alcohol and is one of few FDA-approved medications for treatment of alcohol use disorder (AUD). While it was early on established that NTX acts by blocking the binding of endogenous opioid peptide ligands released by alcohol, experimental evidence emerged that could not be fully accounted for by this explanation alone, suggesting that NTX may have additional modes of action. Mu- and kappa-opioid receptors (MOP and KOP, respectively) are structurally related G-protein-coupled receptors (GPCRs), but they are anatomically differently distributed and functionally distinct, often mediating opposite responses, with MOP typically promoting euphoria and reward, while KOP is associated with dysphoria and aversive states. While the actions of NTX on MOP are extensively characterized, the interactions with KOP are not. Here, we used sensitive fluorescence-based methods with single-molecule sensitivity to study in live cells the influence of alcohol (ethanol, EtOH) on KOP and the interaction between KOP and NTX. Our data show that alcohol, at relevant concentrations (10-40 mM), alters KOP interactions with the lipid environment in the plasma membrane. The counteracting effects of NTX are exerted by both its canonical action on KOP and its hitherto unrevealed effects on the lateral dynamics and organization of lipids in the plasma membrane. The KOP-specific antagonist LY2444296, in clinical trial for major depressive disorder (MDD), blocks KOP but does not show the full action profile of NTX. The therapeutic effect of NTX treatment in AUD may in part be due to direct actions on KOP and in part due to its effect on the surrounding lipid environment.

Abstract High‐sensitivity flow cytometers have been developed for multi‐parameter characterization of single extracellular vesicles (EVs), but performance varies among instruments and calibration methods. Here we compare the characterization of identical (split) EV samples derived from human colorectal cancer (DiFi) cells by three high‐sensitivity flow cytometers, two commercial instruments, CytoFLEX/CellStream, and a custom single‐molecule flow cytometer (SMFC). DiFi EVs were stained with the membrane dye di‐8‐ANEPPS and with PE‐conjugated anti‐EGFR or anti‐tetraspanin (CD9/CD63/CD81) antibodies for estimation of EV size and surface protein copy numbers. The limits of detection (LODs) for immunofluorescence and vesicle size based on calibration using cross‐calibrated, hard‐dyed beads were ∼10 PE/∼80 nm EV diameter for CytoFLEX and ∼10 PEs/∼67 nm for CellStream. For the SMFC, the LOD for immunofluorescence was 1 PE and ≤ 35 nm for size. The population of EVs detected by each system (di‐8‐ANEPPS + /PE + particles) differed widely depending on the LOD of the system; for example, CellStream/CytoFLEX detected only 5.7% and 1.5% of the tetraspanin‐labelled EVs detected by SMFC, respectively, and median EV diameter and antibody copy numbers were much larger for CellStream/CytoFLEX than for SMFC as measured and validated using super‐resolution/single‐molecule TIRF microscopy. To obtain a dataset representing a common EV population analysed by all three platforms, we filtered out SMFC and CellStream measurements for EVs below the CytoFLEX LODs as determined by bead calibration (10 PE/80 nm). The inter‐platform agreement using this filtered dataset was significantly better than for the unfiltered dataset, but even better concordance between results was obtained by applying higher cutoffs (21 PE/120 nm) determined by threshold analysis using the SMFC data. The results demonstrate the impact of specifying LODs to define the EV population analysed on inter‐instrument reproducibility in EV flow cytometry studies, and the utility of threshold analysis of SMFC data for providing semi‐quantitative LOD values for other flow cytometers.

In the United States, type II diabetes is prevalent in approximately 34-36 million Americans. To improve patient outcomes, extracellular vesicles (EVs) have emerged as an exciting potential modality. EVs are nano-scale particles released from all types of cells; they contain metabolites, nucleic acids, proteins, and lipids. EVs are an exciting source of biomarkers, a promising avenue for therapeutics, and important in understanding intercellular communication. Due to the heterogeneity of EVs from complex biofluids and the low abundance of EVs from specific organs (e.g., beta cells) it is technically challenging to isolate and characterize EVs from specific cell types. Towards this, we developed a new tool to molecularly characterize individual, low-abundant EVs. We used our Single Extracellular Vesicle Nanoscopy (SEVEN) approach, which combines affinity isolation and super-resolution microscopy, to characterize EVs from beta cell model systems. In particular, we characterized EVs from INS-1 832/13 beta cells, EndoC-beta H1 cells, and nondiabetic cadaveric human islets cultured ex vivo from two donors; EVs from L6.GLUT4myc myotube cells served as controls. The average diameter of beta cell EV ranged from 84 nm (islets) to 95 nm (INS-1 cells), while the average detected number of tetraspanins CD9, CD63, and CD81 ranged from 12 (INS-1 cells) to 17 (islets); as expected, all EVs displayed large heterogeneities in size, content, and circularity. In summary, we molecularly characterized individual EVs from cultured beta cell model systems and deciphered unique multiparametric information about their properties. This work paves the road to understanding the unique properties of EVs from beta cells. Ultimately, we hope to exploit these tools to better understand the role of EVs in normal and diabetogenic conditions. Disclosure S. Abuelreich: None. C. Lima: None. D. Esparza: None. I. Ghaeli: None. D.C. Thurmond: Consultant; Truebindings. T. Jovanovic-Talisman: None. Funding Dorrance Family Research FundWanek Family and City of HopeCUBRINIDDK 1T32DK131943

ABSTRACT Exosomes are small extracellular vesicles (sEVs) of ∼30-150 nm in diameter that have the same topology as the cell, are enriched in selected exosome cargo proteins, and play important roles in health and disease. To address large unanswered questions regarding exosome biology in vivo , we created the exomap1 transgenic mouse model. In response to Cre recombinase, exomap1 mice express HsCD81mNG, a fusion protein between human CD81, the most highly enriched exosome protein yet described, and the bright green fluorescent protein mNeonGreen. As expected, cell type-specific expression of Cre induced the cell type-specific expression of HsCD81mNG in diverse cell types, correctly localized HsCD81mNG to the plasma membrane, and selectively loaded HsCD81mNG into secreted vesicles that have the size (∼80 nm), topology (outside out), and content (presence of mouse exosome markers) of exosomes. Furthermore, mouse cells expressing HsCD81mNG released HsCD81mNG-marked exosomes into blood and other biofluids. Using high-resolution, single-exosome analysis by quantitative single molecule localization microscopy, we show here that that hepatocytes contribute ∼15% of the blood exosome population whereas neurons contribute <1% of blood exosomes. These estimates of cell type-specific contributions to blood EV population are consistent with the porosity of liver sinusoidal endothelial cells to particles of ∼50-300 nm in diameter, as well as with the impermeability of blood-brain and blood-neuron barriers to particles >5 nm in size. Taken together, these results establish the exomap1 mouse as a useful tool for in vivo studies of exosome biology, and for mapping cell type-specific contributions to biofluid exosome populations. In addition, our data confirm that CD81 is a highly-specific marker for exosomes and is not enriched in the larger microvesicle class of EVs.

Extracellular vesicles (EVs), membrane-encapsulated nanoparticles shed from all cells, are tightly involved in critical cellular functions. Moreover, EVs have recently emerged as exciting therapeutic modalities, delivery vectors, and biomarker sources. However, EVs are difficult to characterize, because they are typically small and heterogeneous in size, origin, and molecular content. Recent advances in single EV methods have addressed some of these challenges by providing sensitive tools for assessing individual vesicles; one example is our recently developed Single Extracellular VEsicle Nanoscopy (SEVEN) approach. However, these tools are typically not universally available to the general research community, as they require highly specialized equipment. Here, we show how single EV studies may be democratized via a novel method that employs super-resolution radial fluctuations (SRRF) microscopy and advanced data analysis. SRRF is compatible with a wide range of microscopes and fluorophores. We herein quantified individual EVs by combining affinity isolation (analytical protocol based on SEVEN) with SRRF microscopy and new analysis algorithms supported by machine learning-based EV assessment. Using SEVEN, we first optimized the workflow and validated the data obtained on wide-field and total internal reflection fluorescence microscopes. We further demonstrated that our approach, which we call the SEVEN-Universal Protocol (SEVEN-UP), can robustly assess the number, size, and content of plasma and recombinant EVs. Finally, we used the platform to assess RNA in EVs from conditioned cell culture media. Using SYTO RNASelect dye, we found that 18% of EVs from HEK 293T cells appear to contain RNA; these EVs were significantly larger compared with the general EV population. Altogether, we developed an economical, multiparametric, single EV characterization approach for the research community.

Abstract Exosomes are small extracellular vesicles important in health and disease. Syntenin is thought to drive the biogenesis of CD63 exosomes by recruiting Alix and the ESCRT machinery to endosomes, initiating an endosome-mediated pathway of exosome biogenesis. Contrary to this model, we show here that syntenin drives the biogenesis of CD63 exosomes by blocking CD63 endocytosis, thereby allowing CD63 to accumulate at the plasma membrane, the primary site of exosome biogenesis. Consistent with these results, we find that inhibitors of endocytosis induce the exosomal secretion of CD63, that endocytosis inhibits the vesicular secretion of exosome cargo proteins, and that high-level expression of CD63 itself also inhibits endocytosis. These and other results indicate that exosomes bud primarily from the plasma membrane, that endocytosis inhibits their loading into exosomes, that syntenin and CD63 are expression-dependent regulators of exosome biogenesis, and that syntenin drives the biogenesis of CD63 exosomes even in Alix knockout cells.