Advances and Challenges of Exosome Metabolomics in Body Fluids

doi:10.7503/cjcu20240324

Abstract

Abstract:

Exosomes， ubiquitously present in body fluids， serve as non-invasive biomarkers for disease diagnosis， monitoring， and treatment. As intercellular messengers， exosomes encapsulate a rich array of proteins， nucleic acids， and metabolites， although most studies have primarily focused on proteins and RNA. Recently， exosome metabolomics has demonstrated clinical value and potential advantages in disease detection and pathophysiology， despite significant challenges， particularly in exosome isolation and metabolite detection. This review discusses the significant technical challenges in exosome isolation and metabolite detection， highlighting the advancements in these areas that support the clinical application of exosome metabolomics， and illustrates the potential of exosomal metabolites from various body fluids as biomarkers for early disease diagnosis and treatment.

Key words: Exosome, Metabolomics, Body fluid, Biomarker, Disease diagnosis

CLC Number:

R917

TrendMD:

CAO Yiqing, HOU Jingxin, LIU Jianye, LI Yan. Advances and Challenges of Exosome Metabolomics in Body Fluids[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240324.

Figures/Tables 4

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Separation technique	Principle	Advantage	Disadvantage
Ultracentrifugation	Density	Mature method， “gold standard”	Expensive equipment， time⁃consuming（>4 h）
Ultrafiltration	Size	Simple operation， suitable for small volumes	Low purity， affects exosome integrity
Polymer precipitation	Solubility	Simple， no expensive equipment required	Low purity， affects exosome integrity
Size exclusion chromatography	Size	High purity， good reproducibility	High maintenance cost， low concentration， requires additional concentration steps
Ion exchange chromatography	Charge	High purity	Requires multiple optimizations， affects exosome integrity
Immunoaffinity	Affinity	High purity， high specificity	High cost， not suitable for large⁃scale
Microfluidic chip	Fluid dynamics	Automation and high throughput	High equipment cost， technical complexity

Separation technique	Principle	Advantage	Disadvantage
Ultracentrifugation	Density	Mature method， “gold standard”	Expensive equipment， time⁃consuming（>4 h）
Ultrafiltration	Size	Simple operation， suitable for small volumes	Low purity， affects exosome integrity
Polymer precipitation	Solubility	Simple， no expensive equipment required	Low purity， affects exosome integrity
Size exclusion chromatography	Size	High purity， good reproducibility	High maintenance cost， low concentration， requires additional concentration steps
Ion exchange chromatography	Charge	High purity	Requires multiple optimizations， affects exosome integrity
Immunoaffinity	Affinity	High purity， high specificity	High cost， not suitable for large⁃scale
Microfluidic chip	Fluid dynamics	Automation and high throughput	High equipment cost， technical complexity

Nanomaterial	Mechanism of exosome separation	Target	Source of exosome	Analyte	Analysis platform	Ref.
CD9⁃HPLC⁃IAC	Antibody affinity	CD9	Serum	Protein	LC⁃MS/MS	［51］
CoMPC@Au⁃Apt	Aptamer affinity	CD63	Urine	Metabolite	MALDI⁃MS	［52］
TiO₂	Ti⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Serum	Protein	LC⁃MS/MS	［53，54］
Fe₃O₄@PDA@UiO⁃66⁃NH₂	Zr⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Urine	Phosphoryl⁃peptide	LC⁃MS/MS	［55］
Fe₃O₄@SiO₂@Eu₂O₃	Eu⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Plasma	Metabolite	LC⁃MS/MS	［56］
CaTiO₃/Al³⁺/Pr³⁺/Sm³⁺	CaTiO₃， Al³⁺， Pr³⁺， Sm³⁺ and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Serum	Protein	MALDI⁃MS	［57］
Phospholipid⁃MIP	MIP recognition for phosphatidylserine（PS）	Lipid bilayer	Plasma	Protein	LC⁃MS/MS	［58］
Heparin⁃agarose beads	Heparin and proteoglycans interaction	Lipid bilayer	Plasma	RNA	RT⁃qPCR	［47］
EXODUS	Size exclusion	—	Plasma	Metabolite	LC⁃MS/MS	［59］
SNAPs	Size exclusion	—	Urine	Protein	LC⁃MS/MS	［60］

Nanomaterial	Mechanism of exosome separation	Target	Source of exosome	Analyte	Analysis platform	Ref.
CD9⁃HPLC⁃IAC	Antibody affinity	CD9	Serum	Protein	LC⁃MS/MS	［51］
CoMPC@Au⁃Apt	Aptamer affinity	CD63	Urine	Metabolite	MALDI⁃MS	［52］
TiO₂	Ti⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Serum	Protein	LC⁃MS/MS	［53，54］
Fe₃O₄@PDA@UiO⁃66⁃NH₂	Zr⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Urine	Phosphoryl⁃peptide	LC⁃MS/MS	［55］
Fe₃O₄@SiO₂@Eu₂O₃	Eu⁃O and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Plasma	Metabolite	LC⁃MS/MS	［56］
CaTiO₃/Al³⁺/Pr³⁺/Sm³⁺	CaTiO₃， Al³⁺， Pr³⁺， Sm³⁺ and phosphate groups interaction	Lipid bilayer	Serum	Protein	MALDI⁃MS	［57］
Phospholipid⁃MIP	MIP recognition for phosphatidylserine（PS）	Lipid bilayer	Plasma	Protein	LC⁃MS/MS	［58］
Heparin⁃agarose beads	Heparin and proteoglycans interaction	Lipid bilayer	Plasma	RNA	RT⁃qPCR	［47］
EXODUS	Size exclusion	—	Plasma	Metabolite	LC⁃MS/MS	［59］
SNAPs	Size exclusion	—	Urine	Protein	LC⁃MS/MS	［60］

Exosome source	Isolation method	Metabolomic profiling	Disease type	Application	Ref.
Plasma	Differential ultracentrifugation	UHPLC⁃Q⁃TOF⁃MS/MS	Nonalcoholic fatty liver disease（NAFLD）	A distinct change in fatty acids and related pathways in nonalcoholic fatty liver disease patients	［66］
Plasma	Ultracentrifugation	LC⁃MS	Breast cancer	Targeting succinic acid and L⁃lactic acid in patients with RD after NAC to improve their disease course	［68］
Plasma	A home⁃constructed device called EXODUS	UPLC⁃MS/MS	Esophageal squamous cell carcinoma	Novel biomarkers for diagnosis and prognosis of ESCC	［87］
Plasma	Invitrogen total exosome isolation kit	UPLC⁃TOF⁃MS/MS	COVID⁃19	GM3⁃enriched exosomes may partake in pathological processes related to COVID⁃19 pathogenesis	［88］
Serum	Ultracentrifugation	LC⁃MS/MS	Castration resistant prostate cancer（CRPC）	Diagnostic TFC， PCa and CRPC by differential metabolites	［67］
Serum	Size exclusion chromatography	UPLC⁃MS/MS	High⁃altitude cerebral edema（HACE）	Distinguish the HCs and HACE patients	［69］
Serum	qEV column	UPLC⁃MS/MS	Acute mountain sicknesses	Identified 5 metabolites to distinguish hypoxic preconditioning participants and control subjects	［70］
Serum	ExoQuick， a fast⁃ acting exosome precipitation solution	UPLC⁃MS/MS	Diabetic nephropathy（DN） and diabetic retinopathy（DR）	1⁃MH loss may be linked to the pathogenicity of diabetic endothelial dysfunction in DR/DN	［71］
Serum	qEV column	UPLC⁃MS/MS	Bipolar disorder	15 Exosomal metabolites to distinguish BD patients and other major psychiatric diseases	［89］
Urine	MXene@TiO₂/Fe₃O₄	LDI MS	Bladder cancer	Three biomarkers are indication of treatment in individual patients	［90］
Urine	HPL⁃SEC	MALDI⁃TOF MS	Systemic lupus erythematosus（SLE）	Screen differential expressions of metabolite signals in the HC and SLE groups	［91］
Urine	Serial centrifugation	MS	Prostate cancer	Potential prostate cancer biomarkers	［76］
Urine	Ultracentrifuged	UHPLC⁃MS	Prostate cancer	Distinguish prostate cancer pathogenesis and progression	［64］
Urine	Ultracentrifuged	¹H NMR	Cardiovascular risk	Three metabolites can be CV risk biomarkers	［63］
Tissue and urine	Ultrafiltration and ultracentrifugation	LC⁃ESI⁃MS/MS	Prostate cancer	Prove uEVs are potential prostate cancer biomarkers	［92］
Pleural effusions	Differential ultracentrifugation	LC⁃MS/MS	Tuberculosis and malignancy	Identifying novel biomarkers for diagnosing TPE and MPE	［84］
Frontal cortex tissues	Ultracentrifuged	nESI⁃ UHRAMS and HCD⁃MS/MS	AD	AD BDEVs have a unique lipid signature	［86］
Follicular fluid	Exosomes Isolation Reagent and Ultracentrifugation	GC⁃TOFMS	—	Reveal age⁃related changes in ovarian follicular fluid	［93］
Bile juice	EX⁃03 kit	UPLC⁃Orbitrap⁃MS	Gallbladder cancers（GBCCs）	Activation of PI3K/AKT pathway is found in the gallbladder cancer group	［94］
Femoral bone tissue	Ultracentrifugation	UPLC⁃MS/MS	Osteonecrosis of the femoral head （ONFH）	Lipid metabolism disorder is an important pathological factor in ONFH	［95］