ACS Nano | 基于纳米辅助外泌体代谢谱的胃癌早诊新技术

2022-08-22

英文原题：Exosome Metabolic Patterns on Aptamer-Coupled Polymorphic Carbon for Precise Detection of Early Gastric Cancer





通讯作者：邓春晖，复旦大学；孙念荣，复旦大学附属中山医院

作者：Haolin Chen (陈皓霖), Chuwen Huang (黄楚雯), Yonglei Wu (吴永雷), Nianrong Sun (孙念荣), Chunhui Deng (邓春晖)

背景介绍

胃癌是全球癌症相关死亡的最常见原因之一，其诊断不及时导致了高死亡率和较差的预后，并且传统的胃癌诊断方法步骤繁琐，其侵入性对操作人员以及病人的身体条件均提出了高要求。外泌体被证实在肿瘤的发生、转移和血管生成中起着关键作用，相应地，基于外泌体的液体活检在癌症的早期诊断、监测和预后中引起了人们的广泛关注。当前，许多外泌体蛋白质和miRNA被认为是有前途的癌症生物标志物，但很少有外泌体代谢物相关的报道。代谢物作为生化反应网络的下游产物，能提供比核酸和蛋白质更接近表型的终端信息，在直接反映个体的病理生理学状态方面具有巨大的潜力。因此，有必要开发基于外泌体代谢物的快速、无创和高度特异性的液体活检技术，以实现胃癌的早期诊断。


文章亮点

近日，复旦大学邓春晖教授团队与复旦大学附属中山医院沈锡中教授团队成员孙念荣副研究员合作在ACS Nano上发表了整合提取外泌体代谢特征用于早期胃癌检测的相关研究。本文设计合成了适配体偶联多态碳材料，可同时作为高效捕获外泌体的吸附剂以及激光解吸/电离质谱（LDI-MS）的优良基质，用于连续地富集尿液外泌体及提取其代谢特征，实现了胃癌的精确早期诊断及发展监测。
图1. 基于适配体偶联多态碳材料提取外泌体代谢特征，实现早期胃癌检测的示意图

适配体偶联多态碳材料（CoMPC@Au-Apt）是通过将金纳米颗粒/适配体先后修饰到ZIF-67衍生的磁性多孔碳材料上获得的。使用含适配体的磁性材料可以实现外泌体的高特异性捕获和快速分离；适配体和金纳米颗粒的引入提升了材料的光响应能力，材料表面的负电性有利于代谢物的阳离子加合，显着提高了LDI-MS中代谢物的电离效率；碳材料的大比表面积和多孔性质为代谢物提供了丰富的吸附位点，并且有助于LDI过程中的选择性代谢物吸附。

图2. 适配体偶联多态碳材料的表征

使用来自人胃癌细胞系MGC-803和人胃粘膜上皮细胞系GES-1的外泌体作为标准品，验证了CoMPC@Au-Apt可高效捕获外泌体，捕获外泌体后的材料可直接分散用于LDI-MS分析，研究表明两种外泌体的代谢特征存在显著差异。进一步地，使用该技术得到了57例临床尿液样本（30例健康对照，19例早期胃癌，8例晚期胃癌）中的外泌体代谢特征，基于构建的正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）机器学习模型，实现了早期胃癌的精确诊断（准确率100%）。根据统计学参数，筛选出3个与胃癌高度相关的外泌体代谢关键特征，仍能实现早期胃癌的准确诊断（准确率 > 90%），其中2个代谢关键特征随胃癌发展呈现规律下调趋势，展现了监测胃癌进展的巨大潜力。

图3. 基于外泌体代谢关键特征，实现胃癌的精确早期诊断和发展监测

总结/展望


团队设计了适配体偶联多态碳材料CoMPC@Au-Apt，整合了外泌体捕获以及LDI-MS上的代谢特征提取流程，将外泌体代谢特征与机器学习相结合，实现了胃癌的精确早期诊断和发展监测。与传统技术相比，该平台分析外泌体代谢特征时的样品预处理少、分析时间短、通量高，提出了一种全新的外泌体代谢物分析方案，有望在未来成为各种疾病临床早期诊断和监测的工具。相关论文发表在ACS Nano上，复旦大学硕士研究生陈皓霖为文章的第一作者， 复旦大学邓春晖教授、复旦大学附属中山医院沈锡中教授团队成员孙念荣副研究员为通讯作者。


通讯作者信息：

邓春晖 教授

邓春晖，复旦大学化学系教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者。专注于以纳米材料为基础，开展多组学高通量临床疾病精准医学研究。主持国家重点研发计划项目，国家杰出青年科学基金，S973项目子课题，国家自然科学基金面上项目。在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mat., Anal. Chem., Adv. Sci., Chem. Commun. 等期刊发表研究论文共310余篇，H因子64，论文共被引用14000多次。

课题组主页：https://hplc.fudan.edu.cn


孙念荣 博士

孙念荣博士，复旦大学附属中山医院副研究员，研究兴趣为纳米疾病组学研究以及重大疾病早筛技术研究，已在在Anal. Chem., Adv. Funct. Mat., Adv. Sci., Chem. Commun. 等期刊发表研究论文40余篇。


来源：X-MOL资讯



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