目前，很多疾病沒有現(xiàn)成標(biāo)志物或者現(xiàn)有的標(biāo)志物(如血液，尿液里頭游離蛋白)診斷精度低。與此同時(shí)，細(xì)胞外囊泡(Extracellular Vesicles)攜帶母細(xì)胞分子標(biāo)記物指紋為標(biāo)志物開發(fā)提供了寶庫(kù), 在癌癥、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病等的早期診斷，病程追蹤，治療效果評(píng)估等方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大潛力并受到越來越多的關(guān)注。因此，發(fā)展細(xì)胞外囊泡檢測(cè)技術(shù)來研究細(xì)胞外囊泡(膜蛋白，內(nèi)蛋白，核酸，代謝產(chǎn)物等)與疾病的關(guān)聯(lián)，對(duì)于開發(fā)疾病診斷標(biāo)志物的意義重大。

Multiplexed Profiling of Extracellular Vesicles for Biomarker Development

Cheng Jiang*,?Ying Fu, Guozhen Liu, Bowen Shu, Jason Davis*,?George K. Tofaris*

Nano-Micro Letters (2022)14: 3

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00753-w

本文亮點(diǎn)

1.?首次系統(tǒng)性地提出了細(xì)胞外囊泡目標(biāo)物多元檢測(cè)的基于化學(xué)、物理，生物及納米顆粒編碼的四大策略。

2.?系統(tǒng)性的闡述和討論了多元檢測(cè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞外囊泡標(biāo)志物(比如膜蛋白，內(nèi)蛋白，核酸，代謝產(chǎn)物等)開發(fā)流程：從高通量篩選及驗(yàn)證到低通量的即時(shí)診斷傳感器件。

3.?對(duì)未來探索單個(gè)囊泡級(jí)別的超靈敏度多元檢測(cè)技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析來革命性地研究其異質(zhì)性及更好服務(wù)于疾病更早期診斷和健康管理提出了前瞻。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

相比傳統(tǒng)的一元高通量酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA)，多元檢測(cè)(multiplexing)可以從一份樣本中快速檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)物，可以大幅度節(jié)約寶貴樣本和時(shí)間、降低多次一元檢測(cè)(multiple singleplexing)帶來的誤差和變量。同時(shí)，單一標(biāo)志物往往只反映疾病有限維度的特征，如果能篩選出于疾病高度關(guān)聯(lián)的幾個(gè)標(biāo)志物無(wú)疑能夠更加清晰的反映疾病的綜合維度特征。基于此，發(fā)展細(xì)胞外囊泡多元檢測(cè)的底層技術(shù)無(wú)疑能夠驅(qū)動(dòng)細(xì)胞外囊泡標(biāo)志物的開發(fā)。牛津大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系和化學(xué)系蔣成博士結(jié)合多年在一線臨床樣本管理分析經(jīng)驗(yàn)以及在多元高/低通量傳感器技術(shù)平臺(tái)開發(fā)的積累撰寫了此綜述。

圖文導(dǎo)讀

細(xì)胞外囊泡的膜蛋白，膜上脂質(zhì)體以及包裹的蛋白質(zhì)和核酸可以作為開發(fā)疾病分子標(biāo)志物寶庫(kù)，在癌癥，神經(jīng)退行性疾病，心血管疾病等的早期診斷、疾病分型、病程追蹤、治療效果評(píng)估等方面已經(jīng)取得不錯(cuò)的研究進(jìn)展(圖1)。? ? ? ? ??

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圖1. 細(xì)胞外囊泡可以作為生物標(biāo)志物開發(fā)的寶庫(kù)，在疾病診斷方面呈現(xiàn)眾多潛力。

本文從如何讓多元目標(biāo)物產(chǎn)生不同輸出信號(hào)的角度系統(tǒng)性闡述了基于物理(如空間位置編碼)，化學(xué)(如化學(xué)染料，電化學(xué)探針編碼)，生物(如DNA 編碼)，以及納米顆粒(如具有光學(xué)特性或者電化學(xué)活性的納米顆粒編碼)的編碼策略的多元檢測(cè)，來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外囊泡多個(gè)目標(biāo)物的檢測(cè)。

具體來講，多元檢測(cè)可以歸納為利用不同識(shí)別單元(如抗體，適配體)來對(duì)囊泡的不同目標(biāo)物的捕獲和結(jié)合，再配合編碼策略來實(shí)現(xiàn)將不同目標(biāo)物與識(shí)別單元結(jié)合后產(chǎn)生的不同的輸出信號(hào)。編碼策略可以比作：

(1)?物理空間位置的ABC來分別修飾上能捕獲EVs目標(biāo)物的receptorabc， 通過與surface sensitive的拉曼光譜(Ramanspectroscopy)、 表面等離子體共振(SPR) ，檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，不需要額外標(biāo)記即可，圖2)?？臻g位置編碼一般用surfacepatterning做成array，或者multiple compartment/spot來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然了，也可以與化學(xué)標(biāo)記策略結(jié)合來實(shí)現(xiàn)物理+化學(xué)編碼的聯(lián)合編碼檢測(cè)檢測(cè)。

圖2. 基于物理空間位置編碼的多元檢測(cè)。

(2)?在化學(xué)標(biāo)記策略中可以用標(biāo)記物ABC來與相應(yīng)的目標(biāo)物(abc)一一匹配輸出，從而實(shí)現(xiàn)多元檢測(cè)。

圖3. 基于化學(xué)編碼(如表面增強(qiáng)拉曼標(biāo)記)的多元檢測(cè)。

(3)?生物學(xué)策略則一般可利用抗體-核酸復(fù)合體，來將不同的蛋白質(zhì)檢測(cè)轉(zhuǎn)換為不同核酸分子指紋來作為信號(hào)輸出。核酸分子還能作為模板進(jìn)行擴(kuò)增放大信號(hào)提升靈敏度。

圖4. 基于生物編碼(a)及生物編碼+化學(xué)編碼(b)相結(jié)合的多元檢測(cè)。?

(4)?而納米顆粒編碼策略可以看做是將化學(xué)編碼中利用的小分子標(biāo)簽拓展到了納米尺度(圖5)。相應(yīng)的，它可以利用不同光學(xué)性能(比如熒光顆粒，等離子體顆粒)、電化學(xué)性能(比如不同氧化還原特性的探針顆粒)的納米顆粒來實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)物的標(biāo)記和信號(hào)輸出。

圖5. 基于納米顆粒編碼的多元檢測(cè)。

文章最后對(duì)未來如何運(yùn)用多種硬件技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)以及大型臨床樣本序列來實(shí)現(xiàn)高通量篩選-高通量驗(yàn)證(圖6)，從多個(gè)組學(xué)維度篩選出疾病最相關(guān)的生物標(biāo)志物，構(gòu)建復(fù)合生物標(biāo)志物以及最終走向即時(shí)診斷(Point-of-Care Testing)做出了展望。文章得到了神經(jīng)科學(xué)系GeorgeTofaris教授及化學(xué)系Jason Davis教授的大力支持。

圖6. 多元檢測(cè)技術(shù)助力于細(xì)胞外囊泡生物標(biāo)志物開發(fā)。

作者簡(jiǎn)介

蔣成 博士

本文第一/共同通訊作者

牛津大學(xué) 神經(jīng)科學(xué)系&化學(xué)系

▍主要研究領(lǐng)域

細(xì)胞外囊泡，神經(jīng)退行性疾病，生物傳感器件，生物標(biāo)志物開發(fā)方法學(xué)研究。

▍主要研究成果

近年來主要聚焦在生物傳感器件表面化學(xué)基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用于臨床大樣本序列生物標(biāo)志物開發(fā)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)方面。2020年獲牛津大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系早期職業(yè)生涯研究學(xué)者獎(jiǎng)(Thomas Wills Early Career Researcher Prize), 現(xiàn)已在Chem Rev, Micro Nano Lett, Adv. Mater, Mov. Disord, J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry, ACS Sens, VIEW, Anal Chem, Langmuir等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文20余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)。

▍Email:?ncheng.jiang@ndcn.ox.ac.uk

Jason Davis 教授

本文共同通訊作者

牛津大學(xué) 化學(xué)系

▍主要研究領(lǐng)域

設(shè)計(jì)和應(yīng)用分子功能化界面于診斷、分子開關(guān)、超分子化學(xué)及納米顆粒用于成像。

▍主要研究成果

Jason Davis教授在生物傳感器領(lǐng)域及其轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面成果豐碩，代表作主要發(fā)表在Chemg. Rev, Chem. Soc. Rev, JACS, Angew. Chem., Chem. Sci., Biosens. Bioelectron., Anal. Chem. Mater. Chem. Front, Chem. Commun, Nanoscale, ACS Sens等國(guó)際著名期刊上。他擁有多項(xiàng)生物傳感器國(guó)際專利，同時(shí)是牛津大學(xué)衍生公司OslerDiagnostics的創(chuàng)始人之一，公司聚焦于心血管標(biāo)志物即時(shí)診斷設(shè)備研發(fā)，在2019年1月的市場(chǎng)估值已達(dá)1億英鎊，最近獲批120萬(wàn)英鎊的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

▍Email:?jason.davis@chem.ox.ac.uk

George Tofaris 教授

本文共同通訊作者

牛津大學(xué) 神經(jīng)科學(xué)系

▍主要研究領(lǐng)域

利用患者源性誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSC)來研究帕金森癥分子機(jī)制及靶向治療，基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的生物標(biāo)志物開發(fā)。

▍主要研究成果

George Tofaris教授近年來在神經(jīng)退行性疾病基礎(chǔ)研究及生物標(biāo)志開發(fā)方面取得了優(yōu)異的科研成果，論文主要發(fā)表在Nat. Commu, Lancet, PNAS, Ann. Neurol, J Neurol Neurosurg Psychiatry, Mov Disord, Brain, NPJ Parkinsons Dis.等著名醫(yī)學(xué)及綜合性期刊。

▍Email:?george.tofaris@ndcn.ox.ac.uk

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

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