这个项目是由思路迪诊断开发团队历经多年研究出来的成果,将高效的外泌体提取方法与高敏的化学发光免疫分析法相结搜嫌合,开创性地开发出了外泌体卵巢癌辅助诊断试剂盒,并且在全自动化学发光平台上建立起了一个基于三指标检测结果的自动分析模型OCS,可直接对检测结果进行分析,进而提示受试者卵巢附件包块的恶性风险。
并且,作为优秀的高新企业代表,上海思路迪生物医学科技有限公司不负众望,“外泌体蛋白辅助诊断早期卵巢癌”项目成功入森败围全国颠覆性技术创新大赛领域赛,这个项目不仅再度彰显了思路迪诊断技术上的雄厚实力,也为此漏颤临床医生在发现、诊断卵巢癌时,提供了更精准、更便捷的应用辅助。
外泌体的提取主要包括以下几种方式。
一是超速让启离心法,这是目前外泌体提取最常用的方法 。此种方法得到的外泌体量多,但是纯度不足,电镜鉴定时发现外泌体聚集成块, 由于微泡和外泌体没有非常统一的鉴定标准,也有一些研究认为此种 方法得到的是微泡不是外泌体 。
二是过滤离心, 这种操作简单、省时,不影响外泌体的生物活性 ,但同样存在纯度不足的问题。
三是密度梯度离心法, 用此种方法分离到 的外泌体纯度 高,但是前期准备工作繁杂,耗时,量少。
四是免疫磁珠法,这种方法可以保证外泌体形态 的完整,坦码如特异性高、操作简单、不需要昂贵的仪器设备,但是非中性pH 和非 生理性盐浓度会影响外泌体生物活性, 不便进行下一步的实验 。
五是PS亲和法,该方法将PS(磷脂酰丝氨酸)与磁珠结合,利用亲和原理捕获外泌体囊泡外的PS。该方法与免疫磁珠法相似,获得的外泌体形态完整,纯度最高。由于模则不使用变性剂,不影响外泌体的生物活性,外泌体可用于细胞共培养和体内注射。2016.9 nature杂志发表了该方法最新数据,表明PS法可提取相当高纯度的外泌体。
六是色谱法,这种方法分离到的外泌体在 电镜下大小均 一, 但是需要特殊的设备 , 应用不广泛 。
实习生丨 林昀肖、刘荷月
编辑丨 李欣夷
9月原本是秋天收获的季节,但对“女版乔布斯”、美国血液检测公司Theranos的创始人伊丽莎白·福尔摩斯来说,是寒冬提前到来。
近日,媒体报道称, 福尔摩斯将接受审判,为此前自己设的“骗局”让投资者损失超过7亿美元买单。 9月2日,该消息冲上热搜榜。
据了解,2018年3月,福尔摩斯和公司Theranos被美国证券交易委员会(SEC)指控欺诈,面临高达12项的欺诈罪名。如果被判有罪,福尔摩斯将面临最高20年的监禁。
其实,通过血液进行癌症检测,是一种液体活检技术。液体活检是指通过采集人的血液、积液、尿液、唾液等体液样本,检测生物标志物、进行肿瘤分析的诊断技术。该技术取样过程方便快速,对人体侵入性较低,依从性良好,具有无创和高效等优点。
近年来,我国每年新发癌症病例超过350万,死亡病例超过200万,防控形势严峻。 液体活检技术使癌症早期阶段的筛查成为可能。 “早筛的意义,在于能够大幅提升治愈率,并大幅降低医疗成本,提升患者的生活质量。”中国抗癌协会泌尿男生殖系肿瘤专业委员会主任委员、复旦大学附属肿瘤医院物伏碧副院长叶定伟在接受媒体采访时表示。
滴血测癌骗局
2014年,硅谷明星生物 科技 公司Theranos耗资近600亿元的“血液检测”神话曾经轰动全美。该公司声称发明了一种突破性的创新技术, 通过指尖采集一两滴血液就能完成专业实验室才能完成的超过240种测试, 范围从胆固醇囊括到癌症检测。
在鼎盛时期,Theranos的估值一度达到90亿美元(接近600亿人民币),福尔摩斯也在2014年登上福布斯杂志封面,其大胆言论和黑色高领毛衣让媒体纷纷将其称为“女版史蒂夫-乔布斯”。
但2015年10月,有媒体揭露Theranos的“滴血测癌”为惊天骗局。 该公司系购买西门子公司仪器进行检测,并将检测结果冒充成自己的检测结果。 紧随其后的调查结果也显示,其所发明的检测机器“爱迪生”漏洞百出, 相关技术根本无法支撑“滴血测癌”的美好愿望。
2018年3月,福尔摩斯和公司Theranos被美国证券交易委员会(SEC)指控欺诈,面临高达12项的欺诈罪名。如果被判有罪,福尔摩斯将面临最高20年的监禁。检察官表示,她在测试方面故意误导患者,并向投资者夸大公司业绩。
Theranos公司也于2018年倒闭。据最新消息, 福尔摩斯的开庭陈述将于2021年9月8日举行,审判预计将持续13周。
与之形成鲜明对比的是,2016年1月,美国第一家用表观技术来查癌症的Grail公司甫一成立并即受到热捧,谷歌和比尔·盖罩举茨都参与投资。上述企业负责人指出,Grail能够开发相应技术,是因为在学术上有了明确的方法论,表观遗传学可以用做肿瘤筛查已通过许多科学家研究和实验的证明,在生物学领域得到公认。而福尔摩斯的所谓“滴血测癌”从来没有解释清楚其科学原理,也没有得到专业人士的认可。
“科学家的认知不是由媒体和公众评价决定,而是由学术成果来定的。没有学术积累,即使是商业天才也不可能做出创新,这是对科学的不尊重。”上述企业负责人表示。
血液能测癌吗?
实际上,美国血液检测公司Theranos和创始人伊丽莎白·福尔摩斯被指控, 并不意味着血液检测不能测癌,而是滴血测癌这个概念本身不够科学。
那血液检测筛查早期癌症的原理为何?
通俗来讲,人体是由无数细胞所组成,所有细胞都会向血液内释放DNA和蛋白质,包括变异的癌细胞。而癌细胞蕴含的DNA和蛋白质变异在进入血液后,可以通过血液检查发现,从而识别早期癌症。
如复旦大学研究员陈兴栋团队研究发现,对于结直肠癌、食管癌、肝癌、肺癌和胃癌5种常见恶性肿瘤,早期的癌症信号——微量肿瘤甲基化就存在于血液循环之中,可以无创检测出来。
此外,该团队还发现 癌症信号在病症发展早期、甚至在无症状未确诊的若干年前,就会存在于血液中。 利用泰州前瞻性队列的样本,复旦研究团队在严格意义上证明DNA甲基化测序能够比传统诊断方法更早发现癌症。
鹍远基因研究人员基于ctDNA甲基化特质设计了一厅局套机器学习方法PanSeer ,在训练集中的特异性为94.7%,对确诊后采集的病人样本以及确诊前采集样本的敏感性分别达到88%和91%。在一个独立的测试样本集中,该研究团队在207个 健康 对照样本重现96%特异性的前提下, 在113个确诊后采集的病人样本上达到了88%的敏感性。 此外,在98名确诊前1-4年采集的样本中也达到了95%的检测敏感性。
上述研究共同通讯作者、鹍远基因公司联合创始人兼首席技术官刘蕊博士认为,该研究在技术上的最大突破,是利用半靶向PCR技术构建血浆游离DNA靶向测序文库的方法,大幅度提高甲基化靶点的富集效率,解决了早期癌症患者血浆中ctDNA稀少、常规方法DNA丢失率高、检测灵敏度受限等问题。
陈兴栋表示,目前国外一些类似多癌早期筛查研究的检测方法成本很高。此项研究证实, 仅需从单管血液中取样少量DNA即可检测, 具备作为潜在一线癌症早筛手段的有效性和经济性。
实为液体活检
通过血液进行癌症检测,属于一种液体活检技术。液体活检即通过采集人的血液、积液、尿液、唾液等体液样本,检测生物标志物、进行肿瘤分析的诊断技术。液体活检的工作流程包括采集样本、物流运输、样本检测和检测报告。
尽管组织活检是肿瘤诊断的金标准,可做形态学和分子评估,但研究表明,由于肿瘤内和同一患者肿瘤间均具有异质性,所以组织活检不能捕捉一个患者的全部肿瘤负荷的基因组学全貌;另外,组织活检还存在侵入性较大、可能提供不了足够样本用于病理检测、不适用于动态监测、有些肿瘤位置不合适穿刺等缺点。
液体活检技术具有无创和高效的优点。 液体活检取样过程方便快速,对人体的侵入性较低,依从性良好。同时其检测过程操作简单,对医疗资源的依赖性较低,样本可及性高,方便进行多次取样。检测周期通常在1-2 周。
但液体活检技术也有捕获能力差、检出率低、个体化差异大等方面的问题,其技术还在进一步完善中。
据头豹研究院分析,液体活检技术主要有三种分析物。 第一种是循环肿瘤细胞(CTCs)的检测。 这是自发或因诊疗操作从实体瘤病灶脱落进入外周血循环的肿瘤细胞。由于其携带大量与肿瘤产生、转移以及耐药机制相关信息,可用于监测肿瘤动态与临床治疗效果,也可用于检测药物敏感性。
目前,CTC检测技术在判断转移性结直肠癌、乳腺癌及前列腺癌患者预后等方面的临床应用价值已得到证实。
第二种是循环肿瘤DNA(ctDNA)的检测。 ctDNA指由肿瘤细胞释放到人体血液系统中的循环DNA片段,来源于坏死或凋亡的肿瘤细胞、CTC及肿瘤细胞外泌体,含有肿瘤基因组所特有的基因突变,可用于检测微小残留病灶和隐匿性转移病灶及监测肿瘤治疗效果,也可用于分析肿瘤细胞突变、扩增、缺失等遗传信息的变化。ctDNA检测可在临床症状出现前检出肿瘤,具有辅助早期诊断的应用潜能。
第三种是外泌体检测。 外泌体是肿瘤细胞脱落的囊泡,在血液、唾液、尿液等多种体液中均有分布。外泌体通常大量产生、释放,并在外部脂质膜的保护下维持囊泡成分稳定,其携带的定量信息可预测恶性肿瘤是否存在。
目前,在液体活检早筛市场上, 燃石医学、泛生子 等初创生物技术公司都进行了广泛布局。近期美国基因测序巨头因美纳(Illumina)拟80亿美元收购的癌症筛查初创公司 Grail 也在开发液体活检技术,希望能够对卵巢癌等癌症进行早期筛查。
市场潜力巨大
据了解,我国每年新发癌症病例超过350万,死亡病例超过200万,防控形势严峻。近年来,肺癌、乳腺癌及结直肠癌等发病呈显著上升趋势,肝癌、胃癌及食管癌等发病率仍居高不下。
以肝癌为例,据西南证券研究报告,在不考虑市场渗透率的情况下, 我国肝癌早筛早诊市场空间高达2000亿元。 液体活检技术使得癌症早期阶段的筛查成为可能,无论是肿瘤诊断,治疗还是监控领域,液体活检的优势都使其成为最具发展潜力的肿瘤无创诊断手段,具有极高的临床应用价值和市场前景。
“早筛的意义在于能够大幅提升治愈率,大幅降低医疗成本,提升患者的生活质量。”中国抗癌协会泌尿男生殖系肿瘤专业委员会主任委员、复旦大学附属肿瘤医院副院长叶定伟在接受媒体采访时表示。
资本市场对液体活检的早筛技术热情高涨。据不完全统计,今年上半年, 全球液体活检行业发生15起主要融资项目,融资总额超6.4亿美元。 另据Evaluate Medtech数据,整个2020年融资排名前十的公司中,有一半都是液体活检领域初创企业。
上半年融资的15家液体活检公司中,公开融资轮次有14家。从融资轮次来看,主要集中在A轮,共6家。其次是B轮和C轮,分别为3家。未来这一市场还有着较大的成长空间。
据了解,目前 华大基因、迪安诊断、贝瑞基因、美康生物 等十余家上市公司将肿瘤早筛以及液体活检纳入其业务范畴。美国 Exact Sciences 公司的早期肝细胞癌(HCC)血液检产品在2019年获得FDA授予的突破性医疗器械认定;而 Grail、广州燃石 等在泛癌种液体活检早筛上也正在积极研发。国内也有多个研究机构在此领域开展研究,目前多家生物 科技 企业积极入局癌症早筛早诊领域,并进行产品转化。
国家层面也高度重视肿瘤早筛。《“ 健康 中国2030”规划纲要》指出,要强化慢性病筛查和早期发现,针对高发地区重点癌症开展早诊早治工作,推动癌症脑卒中冠心病等慢性病的机会性筛查,并提出到2030年要实现全人群全生命周期的慢性病 健康 管理,总体癌症5年生存率提高15%。受政策和市场双重推崇的影响,肿瘤早筛早诊已成为国内和国际研究的热门领域。
华安证券预测,尽管目前仍处于发展的早期阶段,随着技术的不断突破和国家政策的大力支持,我国基于液体活检的肿瘤早筛市场预计在2030年达到千亿规模。
思路迪诊断可谓是国内外泌体临床应用的探路者,早在多年前,就基于对医学的深刻洞察,专门明芹成立了一支由顶尖的技术人才组成的外泌体研究团队。到目前为止,思路迪诊断不光率先突破了外泌体提取和纯化的难题,还建立了3套外雀裂泌体提取技术:试剂法、磁珠法、流控排阻法,这些研究成果对癌症的诊断有着重要意义。
同时,在思路迪诊断自主研发的外泌体检测技术和研究平台上,转化医学研究团队与多位临床专家共同展开了一系列肿瘤早期诊断生物标志物探索,已在肝癌、肺癌激岁毕、胰腺癌中取得多次突破,后续还将会进行系列报道包括卵巢癌、尿路上皮癌和肺癌等恶性肿瘤早诊的转化研究成果。
最近在血液中发现的细胞外rna,包括细胞外囊泡(EVs)中的rna,再加上低起始量rna测序的进展,使科学家能够研究它们在人类疾病中的作用。迄今为止,大多数研究都集中在小rna上,而且缺乏优化长rna测量的方法。我们使用血浆RNA评估了六种长RNA测序方法燃颤在两个不同位点的性能,并报告了它们在 基因组/转录组的reads(%) 、 检测到的基因数量 、 长RNA转录本多样性 和 可重复性方面 的差异。使皮孙败用最佳的凯扒方法,我们进一步比较了EV和不含EV的RNA血浆中长RNA的谱。
为了系统地比较文库构建试剂盒/条件,我们使用了来自两个独立血浆样本池的总RNA。我们将两个库中的总RNA平均分为6个不同的RNA测序试剂盒/条件,并在两个独立的位点重复构建文库。在样品制备后,我们使用Illumina的HiSeq2500平台进行了长RNA测序,以评估基因组和转录组定位百分比。
在比对之前,从每个样本fq数据中抽取50 million read pairs数据作为后续分析。
在比对到转录组时,我们查看了四种RNA biotypes定量结果:protein-coding, lncRNAs, ncRNAs, and pseudogenes
文章小结:评估指标基因组/转录组的reads(%)、检测到的基因数量、长RNA转录本多样性和可重复性方面的差异
外泌体即细胞外囊泡(简孙纳卜称EVs)是所有细胞主动分泌的纳米级囊泡,活细胞释放不同类型的细胞外囊泡进入细胞外环境进行细胞间交流,细胞外囊泡越来越多地被认为是有希望的液体活检生物学标志物。根据相似囊泡的直径大小可将细胞外囊泡分为三类,直径在50-150nm的外泌体,直径在100-1000nm的微囊泡、外粒体和微颗粒,直径在-100-5000nm的凋亡小体。目前主要认为,外泌体产生的过程是细胞膜内陷形成内体,再形成多泡体,多泡体与质膜融合导致其管腔内囊泡释放到细胞外,产生一种称为外泌体的EV亚型。
2 外泌体的提取纯化方法
2.1 基于密度的分离方法
2.1.1 超速离心法
超速离心法是最常用的外泌体提取方法,首先,施加较低速度的离心力300g以从细胞培养液中去除细胞;然后,对上清液施加较大的离心力(10000-20000g),去除大的细胞碎片和破碎的细胞器;最后,再次进行高速(100000-150000g)离心从 上清液 中收集外泌体,所有离心在4℃下进行。超速离心法获得的外泌体不被分离试剂污染,且分离数量多,处理样本小。尽管超速离心法是提取外泌体最广泛的“金标准”,但仍然有很多缺点,如所需的超高速离心仪器比较昂贵、样品量大、耗时长、电镜观察外泌体时仍存在蛋白质污染。
2.1.2 蔗糖密度梯度离心法
目前已发现,外泌体在蔗糖梯度为1.15-1.19g/mL密度中漂浮,所以根据这个特性,可以将样品与蔗糖梯度溶液一起超速离心,外泌体沉降到不同的密度区域就可以将其区分出来。蔗糖密度梯度离心法需要预先配好连续梯度浓度的蔗糖溶液,将蔗糖溶液铺于离心管底部,再将样本放于上部,4℃下100000g超速离心。蔗糖密度梯度离心法获得的外泌体纯度较高,但是前期准备复杂,耗时长,又不能完全将外泌体与蛋白质分离开。2013年10月ISEV会议一些研究人员表示,通过蔗糖密度梯度离心法分离囊泡时,细胞囊泡的生物功能丧失。
2.2 沉淀法
2.2.1 聚乙二醇 (PEG)
PEG 是一种水溶性非离子化合物,具有极强的亲水性,可以与疏水的脂质双分子层结合,从而改变外泌体的溶解度而使外泌体沉淀。RIDER等研究发现,PEG水平会影响外泌体的产率,且从外泌体中获得的总蛋白和RNA在数量和质量上足以用于蛋白质组学和测序分析。沉淀法操作简单,不需要特殊设备,更经济,外泌体产量高,但是会沉淀一些非外泌体的疏水性物质而导致外泌体纯度不够。
2.2.2 试剂盒法
最近已经开发出基于聚合物共沉淀的试剂盒,如ExoQuick、TEI等,可用于提取多种体液中的外泌体。聚合物沉淀剂ExoQuick与样品4℃共孵育30min,然后室温1500g离心30min,即可获得外泌体沉淀。与超速离心法比较,试剂盒法更简便、耗时短,且能获得更高的外泌体产量。试剂盒法获得外泌体沉淀含有的杂质较多,不同来源的样本需要使用不同的试剂盒来进行提取,且试剂盒价格较贵。
2.3 基于大小的分离方法
2.3.1 SEC SEC
主要根据外泌体的大小对外泌体进行分离和纯化。样品中大分子物质不能进入凝胶孔而被流动相快速洗脱出来,尺寸小于孔径的物质可进入多孔材料,需要较长时间被洗脱出来,即可通过不同的洗脱时间分离外泌体。BING等证明了琼脂糖凝胶可以从无血小板上清液中纯化出外泌体,通过这种方法茄吵,外泌体很容易从蛋白质和高密度脂蛋白中分离出来。HONG等通过改编和使用mini-SEC方法能够有效分离出外泌体,与漫长而复杂的超速离心法不同,它可在30min内完成外泌体分离。通过SEC分离的外泌体纯度较高,分离出结构上完整且功能活跃的囊泡是基于微型SEC分离的重要优势,但数量较少,而且需要特殊设备,故应用不广泛。
2.3.2超滤法
超滤法是根据外泌体的大小使用相应孔径的滤膜,将样品中小分子物质过滤到膜的另一侧,而将大分子物质滞留在膜上来达到分离的目的。超虑法简单、省时、成本低。LIU等改则穗良了简单的超滤法,通过将不同孔径的膜(200、100、80、50、30nm)串联在一起,实现了不同大小外泌体的快速分离,且捕获效率明显高于超速离心法。然而,过滤器很容易被囊泡和其他大分子物质堵塞,这种情况很容易导致膜压力过大而破碎。
2.4 基于表面成分亲和力的分离法
2.4.1 蛋白质
外泌体表面含有丰富的蛋白质,所以基于其表面成分的亲和力特别适合于分离外泌体。CD63是外泌体中发现的最丰富的蛋白质之一,因此,常用抗CD63免疫吸附外泌体。ZHAO等通过使用抗CD63包裹的磁珠与血液样品不断混合,将外泌体捕获到磁珠上后,加 缓冲液 冲洗5min,然后引入3种不同荧光染料标记的抗体[抗CD24、抗上皮细胞黏附分子(抗EpCAM)、抗糖类抗原-125(抗CA-125)],通过观察不同荧光强度可以量化卵巢癌中不同肿瘤标志物的表达水平。
2.4.2 膜磷脂
虽然大部分基于表面成分的亲和方法是基于外泌体表面的蛋白质,但是脂质双层也是一种很好的检测目标。XU等利用外泌体膜上表达的磷脂酰 丝氨酸 (PS)可以被PS结合受体Tim4很好地结合,用Tim4固定化的磁珠与样品反应进行外泌体捕获,并且观察到洗脱的外泌体保持着完整的形态,与商业外泌体提取试剂盒相比,表现出更高的捕获率。CHEN等利用外泌体将带负电荷的PS暴露在膜上的特点,使用带正电荷基团的离子交换树脂的磁珠与血浆样品反应,血浆中的外泌体就能与磁珠结合,通过这种方法分离的外泌体具有比超速离心法更高的回收率和更少的杂质蛋白。
2.5 ACE分离法
ACE微阵列产生的介电泳(DEP)分离力是通过施加交流电场产生的,纳米级的粒子和其他纳米级实体物质被吸引到圆形微电极边缘周围的DEP高场区域,细胞和大的实体物质被吸引到DEP低场区域。 IBS EN等的ACE装置需要30-50μL血浆样品就能够在15min内将外泌体浓缩到微电极周围的高场区域。ACE设备流程明显快于目前使用的方法,这个装置简化了外泌体提取和回收过程的能力,明显减少了加工步骤和消耗时间。CHEN等构建了具有交叉电极的DEP芯片,能在30min内从血浆样品中分离出外泌体。经过测试证明,DEP芯片具有高捕获率和高回收率,需要的时间更短,并且不需要笨重和贵重的仪器。
2.6 微流控芯片法
微流控芯片法是新开发出来的用于快速高效分离样品中外泌体的方法。WOO等使用2个纳米过滤器(Exodisc)集成的实验盘在30min内实现了20-600nm外泌体的全自动富集。使用纳米粒子跟踪分析定量检测证实了细胞培养上清液中外泌体的回收率大于95%。与超速离心法相比,Exodisc提供了高出100倍的mRNA水平,更省时,所需样本量更少。FANG等开发了一种微流体芯片,将包裹了抗CD63的磁珠与血浆样品通入芯片,在第1个腔室中捕获到外泌体,通入一抗与磁珠-外泌体混合物结合,再通入荧光标记的二抗形成磁珠-外泌体-一抗-二抗混合物聚集在第2个腔室。微流控芯片法操作简单,捕获率高,特别适合于生物学研究。外泌体作为癌症诊断的有前景的生物学标志物,其在癌症的液体 活检 中受到关注。外泌体的生物学价值和临床应用价值凸显了开发有效提取和分离外泌体技术的重要性和必要性。相信随着技术的不断进步和创新,外泌体提取将变得更加简便经济,纯度越来越高,完整性越来越好。
提取后往往需要进一步检测,确定提取的是不是外泌体。有三种方法:1. 扫描电镜观察;2. NTA仪器粒径检测;3. WB检测。如图所示,在外泌体上往往存在许多标志物,这时候就可以选择相应的抗体进行WB检测。根据22 篇外泌体相关文献的统计,排在前4 位的检测指标为 CD63(13/22)、Tsg101(8/22)、CD9 和CD81并列第三位(6/22);接着检测较多的4 个指标为Alix (4/22)、HSP70(3/22)、flotillin (3/22)和Syntenin (2/22);此外还有一些指标仅在1 篇文献中出现过,例如HSP90、LAMP2B、LMP1、ADAM10、nicastrin、AChE、AQP2、RPL5、a-1AT。针对外泌体的定性检测至少选择两个指标就能满足文章发表需要了,比如检测CD63 和Tsg101。
关键词:ruixin外泌体检测