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Enabling Sensitive Phenotypic Profiling of Cancer-Derived Small Extracellular Vesicles Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Nanotags.
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2020-03-05 , DOI: 10.1021/acssensors.9b02377 Wei Zhang 1 , Lianmei Jiang 1 , Russell J Diefenbach 2 , Douglas H Campbell 3 , Bradley J Walsh 3 , Nicolle H Packer 1 , Yuling Wang 1
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2020-03-05 , DOI: 10.1021/acssensors.9b02377 Wei Zhang 1 , Lianmei Jiang 1 , Russell J Diefenbach 2 , Douglas H Campbell 3 , Bradley J Walsh 3 , Nicolle H Packer 1 , Yuling Wang 1
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Circulating cancer-derived small extracellular vesicles (EVs) are nanoscale membranous vesicles shed from cancer cells that are released into surrounding body fluids. Small EVs contain biomolecules associated with cancer such as DNA and proteins for cell-to-cell communication. Therefore, small EVs have been regarded as important cancer biomarkers for liquid biopsy-based cancer diagnosis and drug treatment monitoring. However, because of the high heterogeneity and low level of small EVs in body fluids, there is a high demand for sensitive detection and characterization of such vesicles at a molecular level. In this study, we have developed a sensitive and effective approach to simultaneously profile multiple protein biomarkers expressed on cancer-derived small EVs using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) nanotags in a single test, without complex isolation steps. Rapid and multiplexed phenotypic profiling of small EVs is achieved by mixing specific detection antibody-coated SERS nanotags, filtered conditioned EV-suspended medium (conditioned EVs), and capture antibody (CD63)-conjugated magnetic beads to form a sandwich immunoassay. As a proof-of-concept demonstration, we applied this approach to characterize pancreatic cancer-derived EVs by simultaneously detecting three specific EV surface receptors including Glypican-1, epithelial cell adhesion molecules (EpCAMs), and CD44 variant isoform 6 (CD44V6). The sensitivity of this method was measured down to 2.3 × 106 particles/mL, which is more sensitive and shows higher multiplexing capability than most other reported EV profiling techniques, such as western blot, enzyme-linked immunosorbent assay, and flow cytometry. Furthermore, phenotypic profiling of small EVs from colorectal cancer and bladder cancer cell lines (SW480 and C3) was conducted and compared to those derived from pancreatic cancer (Panc-1), highlighting the significant difference in EV phenotypes for various cancer cell types suspended in both phosphate-buffered saline and plasma. Thus, we believe that this technology enables a comprehensive evaluation of small secreted EV heterogeneity with high sensitivity, offering strong potential for accurate noninvasive cancer diagnosis and monitoring of drug treatment. In addition, this assay provides point-of-care use because of the easy sample preparation and portable nature of the Raman spectrometer.
中文翻译：
使用表面增强拉曼光谱纳米标签实现癌症衍生的小细胞外囊泡的敏感表型分析。
循环的癌症衍生的小细胞外囊泡（EVs）是从癌细胞脱落的纳米级膜状囊泡，释放到周围的体液中。小型电动汽车包含与癌症相关的生物分子，例如用于细胞间通信的DNA和蛋白质。因此，对于基于液体活检的癌症诊断和药物治疗监测，小型电动汽车已被视为重要的癌症生物标志物。然而，由于体液中的高异质性和低水平的小型EV，因此在分子水平上对此类囊泡的灵敏检测和表征有很高的需求。在这项研究中，我们开发了一种灵敏有效的方法，可在一次测试中同时使用表面增强拉曼光谱（SERS）纳米标签同时分析在源自癌症的小型EV上表达的多种蛋白质生物标记，没有复杂的隔离步骤。通过混合特异性检测抗体包被的SERS纳米标签，过滤的条件化EV悬浮培养基（条件化的EV）和捕获抗体（CD63）的磁珠，形成夹心式免疫分析，可以实现小型EV的快速和多重表型分析。作为概念验证的证明，我们通过同时检测三种特定的EV表面受体（包括Glypican-1，上皮细胞粘附分子（EpCAMs）和CD44变异同工型6（CD44V6））来应用此方法来表征胰腺癌衍生的EV。该方法的灵敏度低至2.3×106颗粒/ mL，比大多数其他报道的EV谱分析技术（例如Western印迹，酶联免疫吸附测定和流式细胞仪）更灵敏并且显示出更高的多路复用能力。此外，对来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV进行了表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的表型进行了比较，突显了不同的EV细胞表型悬浮在EV表型上的显着差异。磷酸盐缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。进行了来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV的表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的那些进行比较，强调了两种磷酸盐中悬浮的各种癌细胞在EV表型上的显着差异缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。对来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV进行了表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的表型进行了比较，突显了两种磷酸盐中悬浮的各种癌细胞在EV表型上的显着差异缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。强调了悬浮在磷酸盐缓冲液和血浆中的各种癌细胞在EV表型上的显着差异。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。强调了悬浮在磷酸盐缓冲液和血浆中的各种癌细胞在EV表型上的显着差异。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。
更新日期：2020-04-23
中文翻译：
使用表面增强拉曼光谱纳米标签实现癌症衍生的小细胞外囊泡的敏感表型分析。
循环的癌症衍生的小细胞外囊泡（EVs）是从癌细胞脱落的纳米级膜状囊泡，释放到周围的体液中。小型电动汽车包含与癌症相关的生物分子，例如用于细胞间通信的DNA和蛋白质。因此，对于基于液体活检的癌症诊断和药物治疗监测，小型电动汽车已被视为重要的癌症生物标志物。然而，由于体液中的高异质性和低水平的小型EV，因此在分子水平上对此类囊泡的灵敏检测和表征有很高的需求。在这项研究中，我们开发了一种灵敏有效的方法，可在一次测试中同时使用表面增强拉曼光谱（SERS）纳米标签同时分析在源自癌症的小型EV上表达的多种蛋白质生物标记，没有复杂的隔离步骤。通过混合特异性检测抗体包被的SERS纳米标签，过滤的条件化EV悬浮培养基（条件化的EV）和捕获抗体（CD63）的磁珠，形成夹心式免疫分析，可以实现小型EV的快速和多重表型分析。作为概念验证的证明，我们通过同时检测三种特定的EV表面受体（包括Glypican-1，上皮细胞粘附分子（EpCAMs）和CD44变异同工型6（CD44V6））来应用此方法来表征胰腺癌衍生的EV。该方法的灵敏度低至2.3×106颗粒/ mL，比大多数其他报道的EV谱分析技术（例如Western印迹，酶联免疫吸附测定和流式细胞仪）更灵敏并且显示出更高的多路复用能力。此外，对来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV进行了表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的表型进行了比较，突显了不同的EV细胞表型悬浮在EV表型上的显着差异。磷酸盐缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。进行了来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV的表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的那些进行比较，强调了两种磷酸盐中悬浮的各种癌细胞在EV表型上的显着差异缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。对来自结直肠癌和膀胱癌细胞系（SW480和C3）的小型EV进行了表型分析，并将其与源自胰腺癌（Panc-1）的表型进行了比较，突显了两种磷酸盐中悬浮的各种癌细胞在EV表型上的显着差异缓冲盐水和血浆。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。强调了悬浮在磷酸盐缓冲液和血浆中的各种癌细胞在EV表型上的显着差异。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。强调了悬浮在磷酸盐缓冲液和血浆中的各种癌细胞在EV表型上的显着差异。因此，我们相信，该技术能够以高灵敏度全面评估小型分泌型EV异质性，为准确的非侵入性癌症诊断和药物治疗监测提供强大的潜力。此外，由于拉曼光谱仪的样品制备简便且具有便携性，因此该方法可提供即时医疗服务。
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