外泌体生物分析及其临床应用研究进展

doi:10.7503/cjcu20200408

摘要/Abstract

摘要：

外泌体是具有各种关键生物活性分子(如脂质、蛋白质和核酸)的细胞外囊泡. 它们可以由所有类型的细胞分泌, 并分布在所有生物流体中, 如血液、唾液、汗水和尿液等. 更重要的是, 外泌体可以参与多种生理活动, 包括细胞间通讯、哺乳动物的繁殖和免疫反应, 并在新陈代谢以及心血管疾病、神经变性和癌症等疾病的病理进展中起重要作用, 这使其成为备受关注的天然非侵入性生物标记物, 并且被认为是可用于临床诊断和治疗的潜在工具。本文综述了用于检测外泌体的生物传感器的最新发展, 包括荧光、电化学、电化学发光、表面增强拉曼光谱、比色法和微流控技术等分析方法; 总结了在临床诊断和疾病治疗中外泌体的临床应用; 还讨论了外泌体检测所面临的挑战以及外泌体在临床诊断和疾病治疗等方面的应用潜力.

关键词: 外泌体, 生物传感器, 定量分析, 临床应用

Abstract:

Exosomes are extracellular vesicles with various pivotal bioactive molecules such as lipids， proteins and nucleic acids. They are secreted by all types of cells and distributed in all biofluids， e.g. blood， saliva， sweat and urine. More importantly， the exosomes participate in multiple physiological activities including intercellular communication， mammalian reproduction and immune responses， and play the important role in the pathological progression including the metabolic and cardiovascular diseases， neurodegeneration and cancer， which make them the attractive natural non-invasive biomarkers， and are considered to be potential tools for the clinical diagnosis and therapy. In this review， we summarize the recent developments of biosensors for the detection of exosomes including series of methods such as fluorescence， electrochemistry， electrogenerated chemiluminescence， surface enhanced Raman spectra， colorimetry and microfluidic analysis. In addition， the clinic applications of exosomes were also described on the clinic diagnostic and diseases therapies. Finally， the challenges on the exosomes analysis as well as the potential researches on the clinic diagnostics and diseases therapies in the future were also discussed.

Key words: Exosomes, Biosensor, Quantitative analysis, Clinical application

中图分类号:

O657

TrendMD:

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图/表 9

Fig.3 Scheme of an Au electrode array patterned on a glass surface for detection of exosomes[45](A), scheme of the electrochemical sensor using CD9 antibody for detection of exosomes[46](B), scheme of the electrochemical sensor using CD9 antibody for detection of exosomes in cell culture media[47](C), scheme of the multiplexed electrochemical sensor for detection of exosomes[48](D), scheme of the electrochemical sensor for detection of exosomes based on the gold electrodes[36](E), scheme of the iMEX for detection of exosomes[41](F), ECL biosensor for detection of HeLa cell derived exosomes[4](G), ECL biosensor for detection of OVCAR cell derived exosomes[53](H)(A) Copyright 2016, Elsevier; (B) Copyright 2016, American Chemical Society;(C) Copyright 2017, Wiley; (D) Copyright 2016, Wiley; (E) Copyright 2017, American Chemical Society; (F) Copyright 2016, American Chemical Society; (G) Copyright 2019, American Chemical Society; (H) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.4 Scheme of the fluorescent biosensor based on the Cy3?CD63 aptamer/Ti3C2 MXenes nanocomplex as nanoprobe to detect exosomes[63](A), scheme of the fluorescent biosensor based on the fluorophore? labeled aptamers[64](B), scheme of the fluorescent ExoAPP[65](C), scheme of the fluorescent biosensor based on the aptamer/DNA nanoassemblies on the surfaces of exosomes[66](D), scheme of fluorescent biosensor based on a copper?mediated signal amplification strategy[67](E), scheme of fluorescent biosensor based on zirconium?phosphate coordination[68](F)(A) Copyright 2018, American Chemical Society; (B) Copyright 2018, Elsevier; (C) Copyright 2018, American Chemical Society; (D) Copyright 2017, American Chemical Society; (E) Copyright 2018, American Chemical Society; (F) Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Scheme of the colorimetric biosensor based on the aptamer/AuNPs complex for molecular profi?ling of exosomal proteins[72](A), (B)scheme of the colorimetric biosensor based on DNA?capped single?walled carbon nanotubes[71], scheme of the colorimetric biosensor based on g?C3N4 NSs[73](C)(A) Copyright 2017, Wiley; (B) Copyright 2017, Elsevier; (C) Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.6 Scheme of the solid?based SERS biosensors based on the gold nanorods coated with QSY21 Raman reporters[78](A); scheme of the solid?based SERS biosensors based on AuNS@4?MBA@Au[79](B); scheme of the solution?based SERS biosensors based on the nanobeads with anti?HER2 antibody[80](C); scheme of the solution?based SERS biosensors based on the gold shell magnetic nanobeads with aptamers[81](D)(A) Copyright 2018, Ivyspring International Publisher; (B) Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2016, The Royal Society of Chemistry; (D) Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry.

Fig.7 Scheme of the SPRi biosensor on the gilded gold chip[86](A), scheme of the SPRi biosensor based on the CD81 and GM1 antibodies[87](B), scheme of the LSPR based on the SAM?AuNIs[88](C), scheme of the SPR biosensor based on the TiN[89](D)(A) Copyright 2014, American Chemical Society; (B) Copyright 2018, American Chemical Society; (C) Copyright 2017, Elsevier; (D) Copyright 2019, Wiley.

Fig.8 Scheme of the microfluidic biosensors for isolation of the exosomes[92](A); scheme of the ExoPCD?chip for the isolation and in situ detection of the exosomes[93](B); scheme of the microfluidic chip with SAW for exosomal RNA[94](C); scheme of the microfluidic chip for POC[95](D)(A) Copyright 2017, American Chemical Society; (B) Copyright 2018, American Chemical Society; (C) Copyright 2015, The Royal Society of Chemistry; (D) Copyright 2015, Nature Publishing Group.

Fig.9 Clinical use of thermophoretic sensor for profiling exosomal miRNAs in breast cancer patients[108](A); antitumor activity of Exos?Dox[113](B); design of exosomes loading system[114](C)(A) Copyright 2020, American Chemical Society; (B) Copyright 2014, Elsevier; (C) Copyright 2019, Wiley.

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