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細(xì)胞外囊泡(Extracellular vesicles,EV)可由細(xì)胞產(chǎn)生釋放的具有膜結(jié)構(gòu)的囊泡結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱,根據(jù)其大小和生物發(fā)生過(guò)程可分為以下四種主要類型:外泌體(Exosomes,30-150nm)、微囊泡(MVs,100-1000nm)、凋亡小體(apoptotic body,50-5000nm)和癌小體(oncosomes,1-10μm)。以往的研究表明,外泌體的來(lái)源細(xì)胞種類非常豐富,幾乎在人體血液、尿液、母乳和唾液等多種體液中都能發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。外泌體可以傳遞包括DNA、RNA、miRNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在內(nèi)的多種生物活性物質(zhì)到受體細(xì)胞中,同時(shí)保護(hù)包裹的內(nèi)含物免受核酸酶和蛋白酶,以及外界壞境變化引起的降解和變性。也正是因?yàn)橥饷隗w來(lái)源廣泛且包含特定細(xì)胞群的內(nèi)容物,還有其穩(wěn)定性和遠(yuǎn)程運(yùn)輸以及易獲取的特性,越來(lái)越多的研究將目光聚集在外泌體的診斷和預(yù)后的潛力。
那么,以外泌體開(kāi)發(fā)新的生物標(biāo)志物具有哪些優(yōu)勢(shì)呢?①外泌體本身具有特定的濃度和類型,可以反應(yīng)個(gè)體健康狀況;②包含親代細(xì)胞的特定標(biāo)志物和內(nèi)含物,有助于鑒定親代細(xì)胞的狀態(tài);③外泌體在外周循環(huán)中的豐富性是對(duì)已有檢測(cè)鑒定方法的拓展;④外泌體可以將其包含生物活性成分傳遞到受體細(xì)胞,分析內(nèi)含物種類和變化,可預(yù)測(cè)受體細(xì)胞的變化?;谝陨蟽?yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)外泌體相關(guān)準(zhǔn)確且穩(wěn)定的生物標(biāo)志物對(duì)于臨床上的疾病診斷的早期預(yù)警具有極大的推動(dòng)作用。
目前已經(jīng)有越來(lái)越多的研究證明基于外泌體相關(guān)RNA鑒定的生物學(xué)標(biāo)志物或者是開(kāi)發(fā)的新的預(yù)后風(fēng)險(xiǎn)模型均能夠表現(xiàn)出非常優(yōu)異的疾病診斷和預(yù)后效果?,F(xiàn)在就跟大家介紹幾篇關(guān)于外泌體相關(guān)特征的研究文章。
外泌體相關(guān)特征的研究案例:
1.唾液衍生的外泌體小RNA作為食管癌生物標(biāo)志物
題目:A signature of saliva-derived exosomal small RNAs as predicting biomarker for esophageal carcinoma:a multicenter prospective study
DOI:10.1186/s12943-022-01499-8
食管鱗狀細(xì)胞癌(ESCC)在全球癌癥發(fā)病率和癌癥死亡率方面排名第七,患者在診斷時(shí)通常處于淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢(shì)階段,這導(dǎo)致5年生存率約為20%。迫切需要開(kāi)發(fā)新的生物學(xué)標(biāo)志物應(yīng)用于ESCC患者的早期診斷以及更精確的分層以指導(dǎo)輔助治療。外泌體包含tRNA 衍生的小 RNA (tsRNA)在內(nèi)的多種的小RNA。tRNA衍生的小RNA (tsRNA)以核酸酶依賴性方式產(chǎn)生,以響應(yīng)癌癥中常見(jiàn)的各種壓力。本研究專注于富含癌癥的 tsRNA 特征,以開(kāi)發(fā)基于唾液外泌體的非侵入性生物標(biāo)志物,用于人類食管鱗狀細(xì)胞癌 (ESCC)。
采集各3名ESCC患者和健康志愿者的樣本,分離外泌體并進(jìn)行鑒定。測(cè)序結(jié)果顯示,ESCC患者的外泌體中鑒定出1366個(gè)差異表達(dá)的 sesncRNA(不包括 miRNA)。挑選表達(dá)差異最顯著的前五名sesncRNA進(jìn)行表達(dá)檢測(cè)驗(yàn)證,其中tRNA-GlyGCC-5和sRESE兩者表達(dá)差異P值小于0.01。使用特異性的反義RNA進(jìn)行轉(zhuǎn)染,能顯著抑制體外癌癥細(xì)胞的多種惡性生物學(xué)行為。
分析收集的患者唾液樣本中sesncRNA的水平,發(fā)現(xiàn)在CHSUMC訓(xùn)練隊(duì)列(200名ESCC患者和120名對(duì)照)以及ATH驗(yàn)證隊(duì)列(140名ESCC患者和60名對(duì)照)中均顯示ESCC患者的 tRNA-GlyGCC-5和sRESE顯著高于健康志愿者。此外,在 CHSUMC訓(xùn)練隊(duì)列,tRNA-GlyGCC-5和sRESE的接收者操作特征分析(AUROC)分別為0.878和0.871。將tRNA-GlyGCC-5和sRESE的表達(dá)值進(jìn)行邏輯回歸分析,建立bi-sesncRNA 特征風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分(RSD),ROC分析表明bi-sesncRNA簽名RSD比單獨(dú)的每個(gè) sesncRNA 具有更好的性能(AUROC為0.933)。
為將雙sesncRNA特征評(píng)分應(yīng)用在ESCC預(yù)后中的潛在臨床效用,基于tRNA-GlyGCC-5、sRESE和bi-sesncRNA特征RSP的中值對(duì)CHSUMC隊(duì)列中的患者進(jìn)行分組。Kaplan-Meier分析顯示,在CHSUMC和ATH隊(duì)列中,低RSP組ESCC患者的總體生存期OS和無(wú)進(jìn)展生存期PFS顯著長(zhǎng)于高RSP的患者。對(duì)比bi-sesncRNA與單獨(dú)的sesncRNA的預(yù)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)bi-sesncRNA簽名很大程度上改善了OS和PFS的預(yù)測(cè)。
列線圖預(yù)測(cè)模型中,CHSUMC隊(duì)列和ATH隊(duì)列的3 年OS預(yù)測(cè)良好。再次證明,bi-sesncRNA特征RSP可以作為ESCC患者預(yù)后的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子
同樣基于bi-sesncRNA衍生RSP的截止值(-0.436),將ESCC患者進(jìn)行分組(高RSP組和低RSP組)。Kaplan-Meier生存分析結(jié)果顯示在CHSUMC隊(duì)列和ATH隊(duì)列中,只有高RSP亞組在接受輔助治療后患者OS和PFS能夠顯著延長(zhǎng)。
2.循環(huán)外泌體RNA標(biāo)記是胰腺癌的潛在診斷標(biāo)志物
題目:Single-cell analysis of a tumor-derived exosome signature correlates with prognosis and immunotherapy response
DOI:10.1186/s12967-021-03053-4
基于兩個(gè)GSE100232和GSE100206數(shù)據(jù)集,對(duì)比胰腺癌患者和正常樣本中血液外泌體中的RNA的差別。通過(guò)火山圖可以看出胰腺癌患者血液中鑒定出大量差異表達(dá)的外泌體RNA。GSE133684數(shù)據(jù)集的分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
為了評(píng)估差異循環(huán)外泌體RNA在區(qū)分胰腺癌患者或健康對(duì)照的健康狀況方面的表現(xiàn),通過(guò)隨機(jī)森林模型并構(gòu)建了 ROC 曲線,對(duì)顯著差異基因的前10名進(jìn)行歸一化計(jì)數(shù),曲線下面積(AUC)值為 1.0。
胰腺癌患者循環(huán)外泌體中差異表達(dá)RNA的通路富集采用IPA通路富集分析,結(jié)果顯示前五種經(jīng)典通路,包括氧化磷酸化、線粒體功能障礙、sirtuin信號(hào)通路、雌激素受體信號(hào)通路和蛋白質(zhì)泛素化通路。排名靠前的疾病/病癥分別為癌癥、機(jī)體損傷和異常、傳染病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病和胃腸道疾病。差異表達(dá)的循環(huán)外泌體 RNA 在基因表達(dá)、細(xì)胞死亡和存活、RNA 轉(zhuǎn)錄后修飾、蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞周期這五個(gè)分子和細(xì)胞功能的五個(gè)主要特征上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。網(wǎng)絡(luò)分析表明核因子、鋅指和 RNA 聚合酶、上調(diào)癌基因 PVT1)。
收集TCGA 胰腺癌 ( n = 179)和GEPIA匹配正常組織以及胰腺組織(n = 171)驗(yàn)證循環(huán)外泌體中發(fā)現(xiàn)的差異表達(dá)模式對(duì)胰腺癌和正常組織樣本的區(qū)分。HIST2H2AA3、LUZP6和HLA-DRA三個(gè)基因在胰腺腫瘤和正常組織之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p
考慮超過(guò)90%的PDAC病例中存在KRAS突變,進(jìn)一步探索這三個(gè)基因的水平與KRAS突變狀態(tài)的相關(guān)性。TCGA-PDAC數(shù)據(jù)顯示HIST2H2AA3表達(dá)水平在KRAS野生型和突變體之間差異顯著。
建立HIST2H2AA3、LUZP6和HLA-DRA的循環(huán)外泌體RNA特征的ROC曲線,胰腺癌與健康對(duì)照組的AUC為 0.8558 (95% CI: 0.82–0.89),胰腺癌與慢性胰腺炎的AUC為0.815 (0.77–0.86) 和慢性胰腺炎與健康對(duì)照的AUC值為0.586 (0.51–0.66)。
3.腫瘤衍生外泌體特征的單細(xì)胞分析與預(yù)后和免疫治療反應(yīng)相關(guān)
題目:Single-cell analysis of a tumor-derived exosome signature correlates with prognosis and immunotherapy response
DOI:10.1186/s12967-021-03053-4
結(jié)合以前的研究,利用PCA算法整合腫瘤衍生的外泌體相關(guān)基因,定義一個(gè)新的腫瘤衍生外泌體的相關(guān)特征(TEXscore)?;趩渭?xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)對(duì)TEXscore特征進(jìn)行驗(yàn)證。與三個(gè)模塊生成的外泌體相關(guān)簽名(Signature Score)分析結(jié)果一致,進(jìn)行性疾?。≒D)狀態(tài)下的TEXscore顯著高于治療前(Pre)和部分緩解/疾病穩(wěn)定(PR/SD) 狀態(tài)評(píng)分。
在 GSE33479 隊(duì)列中對(duì)比正常樣本和癌癥樣,TEXscore從正常組織到浸潤(rùn)性腫瘤樣本保持線性增加。為進(jìn)一步研究TEXscore與癌癥相關(guān)性,從泛癌中調(diào)查驗(yàn)證腫瘤樣本和正常組織之間的TEXscore水平差異,結(jié)果顯示TEXscore在13種腫瘤的正常和腫瘤樣本中均存在異常顯著的差異,表明TEXscore與腫瘤特征相關(guān)。
除了樣本差異,也對(duì)TEXscore在各腫瘤種預(yù)后相關(guān)性做了評(píng)估。森林圖和Kaplan-Meier 生存分析結(jié)果表明,TEXscore作為T(mén)CGA數(shù)據(jù)集中大多數(shù)癌癥類型預(yù)后的不利因素。在TCGA-LUSC、TCGA-LUAD、TCGA-STAD、TCGA-BLCA以及TCGA-Pan-Cancer中低TEXscore組的總體生存率更好。
使用GEO數(shù)據(jù)集(胃癌GSE62254和肺癌GSE30219)進(jìn)行驗(yàn)證,分析結(jié)果基本一致。
免疫檢查點(diǎn)阻滯劑(ICB)對(duì)于腫瘤治療有著令人驚訝的效果,因此也就誕生了非常多的預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物以區(qū)分能夠受益于ICB治療的患者,但是預(yù)測(cè)的能力卻總是差強(qiáng)人意。這里也以TEXscore對(duì)ICB進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果顯示,TEXscore 的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于多個(gè)效應(yīng)器。在分析膀胱癌預(yù)后中,雖然TEXscore給出的AUC值并不理想,但是Kaplan-Meier曲線表明,較高的TEXscore與IMvigor210中延長(zhǎng)的存活時(shí)間有關(guān)。另外,TEXscore也顯示與腫瘤細(xì)胞(TC)中PD-L1水平的升高相關(guān)。
使用 IMvigor210 隊(duì)列中高和低TEXscore亞組之間的DEG進(jìn)行功能富集分析。GO功能富集發(fā)現(xiàn)高TEXscore亞組中上調(diào)的基因富集于細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)重塑相關(guān)通路?;蚣患治觯℅SEA)和KEGG分析高TEXscore亞組中上調(diào)的基因主要富集于腫瘤相關(guān)的信號(hào)通路。
已經(jīng)證明TEXscore與免疫抑制微環(huán)境之間的相關(guān)性。為進(jìn)一步研究外泌體介導(dǎo)的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)模式,整合了涵蓋巨噬細(xì)胞、癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞(CAF)、髓源性抑制細(xì)胞(MDSC)、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT) 和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg) 的綜合免疫抑制特征,以表征 TEXscore 和腫瘤微環(huán)境。TCGA數(shù)據(jù)集中TEXscore在不同腫瘤類型的免疫抑制微環(huán)境模式差異較大,但是TEXscore在大多數(shù)癌癥類型中與廣泛的免疫抑制特征以及免疫治療抗性特征表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。
大量研究表明miRNA作為外泌體傳遞的重要物質(zhì),廣泛參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。以TEXscore和miRNA之間的關(guān)系為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)一步研究TEXscore的腫瘤相關(guān)性??傆?jì)收錄1882個(gè)miRNAs,在高TEXscore組中顯示為顯著下調(diào)。另外選擇前10個(gè)陰性miRNA下游靶基因2628個(gè)用于GO和KEGG富集分析,結(jié)果顯示GO功能富集在神經(jīng)發(fā)生過(guò)程中,包括軸突形成、突觸組織和神經(jīng)元投射等。而KEGG富集,除了ECM重塑機(jī)制,高TEXscore組也表現(xiàn)出與Ras信號(hào)通路、PI3K-Akt信號(hào)通路和 MAPK信號(hào)通路等腫瘤惡性通路富集作用。
TEXscore結(jié)合常見(jiàn)基因的基因組譜分析遺傳突變狀態(tài)。TEXscore與TCGA-LUAD隊(duì)列中STK11突變率,TCGA-STAD和TCGA-CESC中的野生型TP53負(fù)相關(guān)。整個(gè) TEXscore基因改變率分析結(jié)果顯示,TCGA-LUAD 的高TEXscore亞組中觀察到高EGFR改變頻率,而低TEXscore亞組主要是STK11突變,表明STK11和EGFR介導(dǎo)對(duì)外泌體分泌的相反作用。
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