细胞外囊泡(extracellular vesicle,EV)是活细胞向细胞外释放的纳米级脂质双分子层囊泡。它主动分选了源自母体细胞的重要生物大分子,包括DNA、RNA、蛋白、脂质、糖类、代谢物质等。作为这些大分子的集合体,EV释放至胞外基质后,可通过血液体液循环到达远处器官与组织,然后被受体细胞所摄取并影响其生物学功能。因此EV广泛参与人体的生理病理过程,在疾病诊疗领域展现了巨大潜力。尤其在液体活检领域,EV作为标志物具有独特优势:(1)外周稳定性好:其双层脂质膜结构可保护内含物在外周循环中不易被降解;(2)诊断灵敏度高:在疾病早期阶段,病变细胞即可释放EV至血液体液,可反映早期病变过程;(3)组织特异性强:分析特定细胞来源的EV亚群可以提供疾病组织定位线索,对直接取样困难的疾病,如中枢神经系统疾病,具有重要诊断价值。然而,现有EV分离与检测技术种类较多,且各有优缺点。为了更好地推动EV的临床应用和转化,本共识总结了当前EV分离和检测各类技术的优势和局限,并为具体应用场景提供了推荐意见。同时,这一共识的制定汇聚了多个相关领域专家的观点和经验,包括医学检验、基础医学、临床医学、分析化学、生物学和材料科学等,旨在为促进EV在检验医学领域的研究与应用提供更加全面客观的指导意见。
本共识由中国研究型医院学会细胞外囊泡研究与应用专业委员会(Chinese Society of Extracellular Vesicles,CSEV)和中华医学会检验医学分会分子诊断学组共同组成的专家组(以下简称专家组)牵头制订。2023年7月14日启动,成员间多次线上线下反复讨论形成初稿,之后召开3次专家组研讨会,最终针对推荐意见进行投票表决,于2024 年 4月10日完成定稿。本共识专家组成员均填写了利益声明表,不存在与本共识直接相关的利益冲突。
本共识适用于高校、科研院所、生物技术公司或体外诊断企业及不同医疗机构从事EV研究与转化应用的科技人员或医务工作者等,涵盖常用的EV分离与检测技术与方法,旨在为EV应用于临床检验的研究与转化提供参考。
专家组通过线下讨论的形式,初步拟定EV应用于临床检验所面临的核心问题,经多次讨论与修改,最终围绕四大问题进行,包括EV定义与命名、样本收集与前处理、EV分离技术、EV检测技术,并形成了9条推荐意见。
专家组根据最终选定的四大问题,根据EV中涉及的不同样本来源与不同的技术原理进行解构,通过Pubmed、Web of Science、中国知网、万方与维普等数据库,综合国内外研究进展进行证据选择。最终选择66篇文献作为该共识的依据。
专家组根据文献依据,对每个推荐意见的必要性进行二次讨论,对于证据不充分的建议进行了删除。根据推荐分级办法,专家组对更新后的共识推荐进行投票表决,根据推荐意见分级最终形成完整的推荐意见(
专家共识推荐意见分级表
推荐意见 | 证据级别 | 说明 |
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强推荐 | 高质量证据 | 专家一致同意(支持意见>90%) |
弱推荐 | 低质量证据 | 专家基本同意(支持意见60%~90%) |
专家建议 | 证据不足 | 部分专家同意(支持意见<60%) |
EV泛指由各类细胞释放的微小囊泡颗粒,其由脂质双分子层包裹,无法自我复制且不含功能性细胞核[
应避免使用定义模糊且具有误导性的术语。如与EV生成途径相关的术语,“exosome”和“ectosome”等,只应在有强有力证据支撑时谨慎使用。尽管在某些情况下,药物或遗传干预可以抑制或刺激特定EV的生成或释放,大多数当前EV分离和表征技术无法区分由不同生成机制产生的EV。除此之外,需要特别指出的,“小EV”与exosome并非同义词:小EV群体泛指各类尺寸较小的EV,是一个相对性的概念,可能包括了同样尺寸较小的ectosome和exosome,但ectosome和exosome是根据其生物学来源定义的,因此两者并不等同。基于上述原因,当前大多数关于exosome和“ectosome/microvesicle”的文献实际上涉及了广泛的EV群体,而非经特定生物途径释放的EV[
细胞培养液是体外培养细胞提取EV的主要样本来源,适用于各种细胞类型[
1.血液:血液是人体体液样本中使用最多的样本类型。由于血液采集方便,且其中稳定存在的EV可反映机体的健康和疾病状态,因此血液样本中EV成为理想的液体活检标志物,受到本领域研究者的广泛关注[
2.尿液:尿液EV分离和检测研究中,需要关注样本采集方式、保存条件及采集量[
尿液样本采集后应在0~4 ℃条件下保存,并在8 h内处理,以避免细菌生长、细胞裂解、RNA和蛋白的降解以及沉积物的形成。在实际研究中,如不能立即分离EV通常需要将尿液离心预处理后在-70 ℃或更低的温度下冷冻保存,离心可去除细胞、大的细胞碎片和尿调素,避免这些杂质对后续EV分离造成影响。尿液EV分析所需的尿液量取决于EV分离方法产率和检测方法灵敏度,但10~30 ml尿液已足够用于大多数分析研究,如RNA测序和蛋白组学分析[
3.脑脊液:脑脊液是一种富含中枢神经系统疾病相关生物标志物的样本。根据ISEV相关立场性文件和指南[
4.唾液:健康成年人每天唾液分泌量为500~1 500 ml,并随人体病理与生理状态而变化[
实体组织释放的EV在揭示特定部位和细胞间相互作用方面具有重要价值。由于组织获取和保存方法的多样性、细胞与细胞外基质组成的复杂性,以及物理特性的变异性,组织源性EV研究面临着诸多复杂性和挑战。目前,针对组织EV的研究主要采用两种方法,并已成功应用于脑组织和肿瘤组织的研究中。第一种方法是在获取组织样本后进行体外培养,努力维持接近原位环境的条件,并从培养基中收集用于EV分离的样品[
EV的分离是指利用EV的理化性质与其他共分离污染物之间的差异,实现将EV从样本中充分富集的操作。经多年的技术开发与革新,研究者已开发出多种EV分离技术,包括常用的技术如超速离心(ultracentrifugation,UC)、尺寸排阻层析(size exclusion chromatography,SEC)、亲和富集、共沉淀、场流分馏和切向流超滤等(
常用EV分离技术汇总表
分离方法 | 分离原理 | 优势 | 缺陷 | 推荐应用 |
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超速离心法 | EV粒径和密度差异顺序沉降 | 金标准,可处理体积较大样品,价格低廉 | 回收率较低,操作时间长 | 大体积及成分简单样品 |
尺寸排阻层析法 | EV粒径 | 操作简便,可自动化,分离效率较高 | 无法去除尺寸相似的可溶性污染蛋白 | 小体积生物体液样品 |
亲和富集法 | 特定抗体或其他亲和分子与EV特异性结合 | 实现特定EV亚型分离,分离特异性高 | 成本较高,需要抗体或特定亲和分子 | 分离表达特殊表面分子的EV |
共沉淀法 | 降低溶质可溶性从而沉淀析出EV | 操作简便,技术门槛低 | 分离纯度低,试剂可能破坏EV膜结构 | 小体积样品快速分离 |
场流分馏法 | EV粒径和形状 | EV损耗低,分离分辨率高 | 仪器复杂,技术门槛高,样本分离时间长 | 高纯度高分辨率EV分离 |
切向流过滤法 | 液体切向流过滤杂质分子,截流EV | 操作简便,回收率高 | 同步处理多样品能力不足 | 大部分生物样品特别是大体积样品的快速分离 |
阴离子交换色谱法 | 填料上的可交换离子与EV等带电荷物质间的电荷作用力 | 操作简便,分离效率高,可自动化 | 无法去除带同样电荷的蛋白 | 大体积样品如细胞培养上清的EV分离,要求样品中没有大量杂质蛋白 |
注:EV为细胞外囊泡
1.超速离心法:UC法是最早应用于EV分离的经典方法,被视为EV提取的“金标准”,其利用EV与其他杂质颗粒沉降系数的差异实现EV的分离[
2.尺寸排阻层析法:SEC又称凝胶过滤层析,是根据固定相填料孔隙的大小与样品中颗粒的斯托克斯半径(即分子在溶液中的表观尺寸)间相对关系将不同粒径的颗粒分不同组份洗出的一种色谱学方法[
3.亲和富集法:亲和富集法是使用与EV表面物质亲和力强的分子,亲和并增加EV沉降系数和/或使用磁珠完成EV富集的方法。针对EV的物质组成,现已开发出针对EV表面各种物质的分离技术,其中应用最广泛的是免疫亲和捕获法。该法使用修饰有特定EV表面标志物蛋白(如CD63、CD9或CD81等)亲和分子的磁珠捕获具有这些标志物的特定EV亚群,具有较好的特异性[
4.共沉淀法:共沉淀法通常使用聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)或蛋白质有机溶剂沉淀剂(protein organic solvent precipitation,PROSPR)等多聚物在样本溶液中形成网状结构并结合EV,通过低速离心获得EV[
5.场流分馏法:场流分馏法是利用所分析组份的流体动力学性质差异进行分离的技术,其中非对称流场-流动分馏(asymmetric flow field-flow fractionation,AF4)较为成熟。其原理是样本中不同尺寸的颗粒可在载液层流的作用下聚焦并向出口流动,在分子扩散力与垂直于载液方向上施加的外力场的共同作用下,在载液推动下依据牛顿层流特性以不同速度流向出口,据此,AF4可获得不同大小的颗粒[
6.切向流过滤法:切向流过滤法通过使液体切向流经超滤膜表面,产生跨膜压力,将小颗粒和溶液推过滤膜,同时截留大颗粒,可有效降低样本内颗粒在滤膜上的堆积从而提高过滤效率[
7.阴离子交换色谱法:阴离子交换色谱法利用阴离子交换填料上的可交换离子与EV等带电荷物质间的电荷作用力不同,从而达到分离EV的目的。上样后,EV因其带负电荷可与带正荷的阴离子交换填料结合,而它们的结合作用是可逆的,在改变pH值或者用离子浓度逐渐增加的缓冲液洗脱时,阴离子交换填料上结合的EV或其他物质可与洗脱液中的离子发生交换从而被洗脱到洗脱液中。由于不同物质的电荷不同,其与阴离子交换填料的结合能力也不同,所以被洗脱到洗脱液中的顺序也不同,可被不同离子浓度的洗脱液逐渐分离出来,从而可以利用阴离子交换法实现EV的提取及纯化[
1.超声纳滤法:超声纳滤法通过负压振荡结合双耦合超声振荡系统作用于纳米超滤芯片上,其可将样本中的游离核酸与蛋白等杂质通过纳米孔快速去除,同时EV可被截留,实现EV的富集和纯化,可有效提高分离纯化的处理速度和纯度,并保持EV的生物活性,可实现自动化EV分离,适合临床应用[
2.多肽探针捕获法:多肽探针可通过其苯丙氨酸残基填充不对称拉伸双分子层产生的缺陷,经静电相互作用与富含磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)的弯曲膜结合[
3.脂质探针捕获法:脂质探针可插入EV的脂质双分子层,从而识别和捕获EV[
4. 二分式尺寸排阻层析法(dichotomic size exclusion chromatography,dSEC):dSEC是一种改良的SEC法[
1.形貌、粒径、颗粒浓度的常规表征技术:透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)和原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)等是在单颗粒水平对EV形貌、粒径等物理形状进行表征的传统技术,存在样本制备繁琐、分析速度慢、粒径分布缺乏统计代表性等缺点[
近年来,动态光散射技术(dynamic light scattering,DLS)、纳米颗粒跟踪分析技术(nanoparticle tracking analysis,NTA)和可调电阻脉冲传感技术(turnable resistive pulse sensing,TRPS)等常被应用于EV粒径和颗粒浓度的快速测定[
2.流式细胞术(flow cytometry,FCM):FCM是一种对悬液中的细胞或细胞大小的微粒进行快速定量分析或分选的技术[
1.蛋白常规表征技术:蛋白质免疫印迹(western blotting,WB)和酶联免疫吸附测定法(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)是最常用的EV蛋白表征技术[
质谱技术(mass spectrometry,MS)可实现EV蛋白表达谱的检测,被广泛运用于各种疾病诊断或预后标志物的鉴定与筛选。然而,质谱检测灵敏度往往不如基于抗体的特异性表征技术,需要使用WB或ELISA技术进一步验证鉴定蛋白。
2.FCM:在EV研究中,FCM通过荧光标记的抗体或荧光探针与EV表面的特定蛋白质结合,使得EV能够被流式细胞仪检测和分析。这种方法可以定量分析不同类型EV的含量,甚至能够分辨大小、表面标记和组成成分的差异。此外,FCM结合流式分选技术,还能够从复杂样本中分选和纯化特定亚群的EV,为后续的功能研究提供了支持[
1.高通量测序技术:高通量测序技术又称下一代测序(next generation sequencing,NGS),可以实现EV中所有核酸片段的高通量测序分析,适用于新型核酸序列的发现与核酸生物标志物的筛选[
2.qPCR及RT-qPCR技术:定量聚合酶链反应(quantitative-polymerase chain reaction,qRCR)及逆转录定量聚合酶链反应(reverse transcription-quantitative PCR,RT-qPCR)可分别检测EV中特定DNA或RNA的数量和表达水平,被广泛地应用于EV核酸标志物的检测[
3.数字PCR技术:数字RCR(digital PCR,dPCR)是利用微流控技术将核酸检测靶标随机分配到大量相互独立的反应单元中,可实现EV DNA及RNA的数字化分析[
1.单EV的FCM:单EV的FCM突破了传统流式分析仪检测粒径的极限,将检测灵敏度提高至40 nm。其在具备单EV分析能力的同时,实现了EV表面蛋白标志物的多参数检测,可加速EV特异性蛋白标志物的发现,并有望成为临床实验室单个EV分析的理想检测平台[
2.单颗粒干涉反射成像技术(single particle interferometric reflectance imaging sensing,SP-IRIS):SP-IRIS通过在基底修饰靶向EV表面蛋白的抗体来捕获EV,利用基底和EV来源的两束反射光进行干涉成像[
3.液滴微流控技术:液滴微流控技术是基于两相不相容的原理,油相提供稳定的剪切力,将连续的水相反应体系分割成独立的液体反应单元,在表面活性剂的作用下稳定存在,形成离散的液滴,被广泛地应用于单分子或单颗粒数字化检测[
4.超分辨率显微镜:超分辨率显微镜是近年来荧光成像引人瞩目的进展,可突破光学衍射极限(横向分辨率约为200 nm,轴向分辨率约为500 nm)对生物分子和结构进行观察,从而在单EV分析领域显示了重要的应用前景。超分辨率显微成像可分为基于单分子定位的光激活定位显微技术/随机光学重建显微技术、基于受激辐射损耗技术以及基于结构光照明成像技术。此外,单分子定位技术还可以结合全内反射技术,改进成像信噪比、缩短成像时间。超分辨率显微镜可用于EV表征和功能研究,建议对样本的处理及标记进行优化,以减少非特异性数据,同时需考虑荧光分子标记对单分子定位的影响[
EV是由活细胞释放的特殊脂质囊泡,含有多种生物分子,已成为现代医学研究的热点。这些微小囊泡作为细胞间物质传递和信息传导的载体,携带丰富的生物活性分子,已成为癌症、心血管疾病、感染等多种重大疾病的新型生物标志物,为发展新的临床检验技术提供了前所未有的机遇。然而,要将EV分离和检测技术应用于临床实验室,需要面对以下三大挑战。首先,临床标本成分复杂,需要构建临床适用的EV分离技术,从而更高效、便捷地从临床标本中提取EV,为其下游分析打下基础。其次,EV标志物的多样性和高度异质性,需要搭建高通量、高精度的EV检测平台,并利用人工智能技术提高EV检测技术的临床诊断效能。最后,不同实验室间检测结果的一致性差,需要建立规范化的质量控制体系,以提高EV实验室检测结果的可重复性和跨实验室可比性。近年来,随着交叉医学领域的快速发展,物理学、化学和工程学逐渐应用于EV分离和检测技术的开发,EV检测灵敏度、特异性、稳定性等性能不断提升,未来将开发出更多EV标志物和诊断方法应用于重大疾病的早期诊断、疗效监测和预后判断,更好地服务临床,造福患者。