From preconcentration to rapid detection of exosomes as biomarkers in clinical diagnosis

Abstract

En l’actualitat, existeix demanda de biomarcadors per poder millorar la detecció de malalties en una etapa inicial, el seguiment de pacients i dissenyar estratègies terapèutiques. Els exosomes són partícules biològiques nanomètriques d’origen endocític, alliberades per tota classe de cèl·lules. Són vesícules portadores de molècules actives a les cèl·lules proximals i distals com a mecanisme de comunicació fisiològica, per mantenir l’homeòstasi natural i les respostes patològiques. Tots els tipus de cèl·lules fan servir exosomes per a aquest propòsit. És important destacar que una de les característiques més notables és que estan presents en tots els fluids biològics, com sang, saliva, orina, entre d’altres. La seva fàcil accessibilitat és una de les raons més convincents per a l’ús d’exosomes com biomarcadors clínics. Una altra característica sorprenent és la seva càrrega molecular, que pot ser útil per al diagnòstic i el pronòstic de diverses afeccions i malalties. Durant la biogènesi, els components de la cèl·lula romanen en els exosomes, incloses les tetraspaninas (CD9, CD63, CD81), proteïnes de membrana, lípids i diferents espècies d’ARN (ARNm i microARN) i ADN. Aquesta càrrega representa una signatura específica sobre el seu origen cel·lular i conté informació crítica sobre els processos que tenen lloc en diferents àrees del cos. Tot i que els exosomes es consideren candidats prometedors com a biomarcadors per millorar els mètodes de diagnòstic clínic actuals i desenvolupar proves ràpides, un dels principals inconvenients és que han de detectar-se a baixa concentració en mostres molt complexes. Els procediments convencionals per a la detecció d’exosomes generalment requereixen volums de mostra relativament grans i impliquen etapes preliminars de purificació i preconcentració per ultracentrifugació. Aquesta tesi aborda un dels principals problemes per simplificar el procediment analític en la detecció d’exosomes: el desenvolupament de nous mètodes de separació en fase sòlida per evitar la ultracentrifugació. Aquesta tesi aborda l’aïllament específic dels exosomes mitjançant partícules magnètiques modificades amb anticossos específics, que pot combinar-se fàcilment amb tecnologies emergents per a la detecció ràpida d’exosomes. Així mateix, es presenta un estudi exhaustiu de les proteïnes de superfície en exosomes, que poden ser reconegudes per partícules magnètiques. Aquest estudi es realitza inicialment per mètodes clàssics, inclòs l’aïllament per ultracentrifugació i la caracterització per microscòpia electrònica de transmissió, anàlisi de seguiment de nanopartícules, microscòpia confocal i detecció de proteïnes de superfície per citometria de flux. Es presenta un estudi comparatiu del perfil de biomarcadors de les cèl·lules i els seus exosomes derivats, incloses les tetraspaninas generals CD9, CD63 i CD81, i els receptors específics relacionats amb el càncer (CD24, CD44, CD54, CD326 i CD340). Segons aquest estudi, els exosomes es preconcentran per separació immunomagnètica en partícules magnètiques modificades amb antiCD81 per aconseguir més senyal en la detecció espectrofotomètrica i en biosensors de transducció electroquímica. Després s’avalua l’efecte de la matriu del sèrum sobre la separació immunomagnètica. Finalment, l’estudi d’exosomes per a la monitorització de càncer de mama també s’aborda en aquesta tesi doctoral, mitjançant diferents mètodes de diagnòstic en diferents formats, inclosos immunoassaigs i biosensors electroquímics, per millorar el rendiment analític i simplificar el procediment. Totes les estratègies presentades aquí discriminen pacients sans i amb càncer de mama en funció de biomarcadors específics relacionats amb el càncer epitelial. D’aquesta tesi es pot concloure que una major quantitat en el sèrum d’exosomes que expressen patrons moleculars de cèl·lules epitelials, així com l’activitat de fosfatasa alcalina, és un biomarcador prometedor en el càncer de mama.

Existe en la actualidad una demanda creciente de biomarcadores que pueden mejorar la detección de enfermedades en una etapa temprana, así como para el seguimiento de pacientes y estrategias terapéuticas. Los exosomas podrían ser los próximos candidatos para conseguir este objetivo. Son partículas biológicas nanométricas de origen endocítico, que se liberan por las células. Llevan su carga de moléculas activas a otras células proximales del cuerpo como mecanismo de comunicación fisiológica. Es importante destacar que una de las características más notables es que están presentes en todos los fluidos biológicos, como sangre, saliva, orina, entre otros. Su fácil accesibilidad es una de las razones más convincentes para el uso de exosomas como biomarcadores clínicos. Otra característica sorprendente es su carga molecular, que puede ser útil para el diagnóstico y el pronóstico de varias afecciones y enfermedades. Durante la biogénesis, los componentes de la célula permanecen en los exosomas, incluidas las tetraspaninas (CD9, CD63, CD81), proteínas de membrana, lípidos y diferentes especies de ARN (ARNm y microARN) y ADN. Esta carga representa una firma específica sobre su origen celular y contiene información crítica sobre los procesos que ocurren en diferentes áreas del cuerpo. Aunque los exosomas se consideran candidatos prometedores como biomarcadores para mejorar los métodos de diagnóstico clínico actuales y desarrollar pruebas rápidas, uno de los principales inconvenientes es que deben detectarse a baja concentración en muestras muy complejas. Los procedimientos convencionales para la detección de exosomas generalmente requieren volúmenes de muestra relativamente grandes e implican etapas preliminares de purificación y preconcentración por ultracentrifugación. Esta tesis aborda uno de los cuellos de botella que deberían considerarse para simplificar el procedimiento analítico en la detección de exosomas: el estudio y el desarrollo de nuevos métodos de separación en fase sólida para evitar la ultracentrifugación. Esta tesis aborda el aislamiento específico de los exosomas mediante partículas magnéticas, que puede combinarse fácilmente con tecnologías emergentes para la detección rápida. Asimismo, se presenta un estudio exhaustivo de las proteínas de superficie en exosomas, que pueden ser reconocidas por partículas magnéticas. Este estudio se realiza inicialmente por métodos clásicos, incluido el aislamiento por ultracentrifugación y la caracterización por microscopía electrónica de transmisión, análisis de seguimiento de nanopartículas, microscopía confocal y citometría de flujo. Se presenta un estudio comparativo del perfil de biomarcadores de las células y sus exosomas derivados, incluidas las tetraspaninas generales CD9, CD63 y CD81, y los receptores específicos relacionados con el cáncer (CD24, CD44, CD54, CD326 y CD340). Según este estudio, los exosomas se preconcentran por separación inmunomagnética en partículas magnéticas modificadas con antiCD81 para lograr una mayor señal en la detección espectrofotométrica y en biosensores de transducción electroquímica. Luego se evalúa el efecto de la matriz del suero sobre la separación inmunomagnética. Finalmente, el estudio de exosomas para la detección de cáncer de mama también se aborda en esta tesis doctoral, mediante diferentes métodos de diagnóstico en diferentes formatos, incluidos inmunoensayos y biosensores electroquímicos, para mejorar el rendimiento analítico y simplificar el procedimiento. Todas las estrategias presentadas son capaces de discriminar a pacientes sanos y con cáncer de mama en función de biomarcadores específicos relacionados con el cáncer epitelial. De esta tesis se puede concluir que una mayor cantidad en el suero de exosomas que expresan patrones moleculares de células epiteliales, así como la actividad de fosfatasa alcalina, es un biomarcador prometedor para pacientes con cáncer de mama.

There is a growing demand for biomarkers that can help detect diseases at an early stage, as well as for follow-up of patients and therapeutic strategies. Exosomes could be the next big step to reach this goal. Exosomes are membrane encapsulated biological nanometric particles of endocytic origin, which are released by all types of cells. They carry a cargo of active molecules to proximal and distal cells of the body as a mechanism of physiological communication, to maintain natural homeostasis as well as pathological responses. All types of cells use exosomes for this purpose. Importantly, one of the most remarkable features is that they are present in all the biological fluids, such as blood, saliva, urine, among others. Their easy accessibility is one of the most compelling reasons for developing exosomes as clinical biomarkers. Another striking characteristic is their molecular cargo, which can be useful for diagnosis and prognosis of several conditions and diseases. During the biogenesis, components of the cell remain in the exosomes, including tetraspanins (CD9, CD63, CD81), membrane proteins, lipids and different RNA species (mRNA and microRNA) and DNA. This cargo provides a specific signature about their cellular origin and contains critical information about processes happening at different areas of the body. Although the exosomes are considered promising candidates as biomarkers to improve the current clinical diagnostic methods and to develop rapid tests, one of the main drawbacks is that they must be detected at low concentration in very complex samples. Accordingly, conventional procedures for exosome detection usually require relatively large sample volumes and involve preliminary purification and preconcentration steps by ultracentrifugation. Therefore, this thesis addresses one of the bottlenecks that should be considered to simplify the analytical procedure in the detection of exosomes: the study and development of novel solid-phase separation methods in order to avoid ultracentrifugation. This thesis studies the specific isolation of exosomes on particle-based magnetic enrichment, which can be easily coupled with emerging technologies for the rapid detection of exosomes. A rational study of the surface proteins in exosomes, which can be recognized by magnetic particles is presented. This study is initially performed by classical methods, including isolation by ultracentrifugation, and characterization by Transmission Electron Microscopy, Nanoparticle Tracking Analysis, confocal microscopy and surface protein screening by Flow Cytometry. A comparative study of the biomarker profiling of the cells and their derived exosomes is discussed, including the general tetraspanins CD9, CD63 and CD81, and the specific cancer-related receptors (CD24, CD44, CD54, CD326 and CD340). Based on this study, the exosomes are preconcentrated by immunomagnetic separation on antiCD81-modified magnetic particles in order to achieve further detection based on spectrophotometric readout and electrochemical biosensing. The effect of the serum matrix on the immunomagnetic separation is then carefully evaluated. Finally, the study of exosomes for the detection of breast cancer is also addressed in this doctoral thesis, by different diagnostic methods in different formats, including immunoassays and electrochemical biosensors, in order to improve the analytical performance and simplified the procedure. All the strategies presented here are able to discriminate healthy and breast cancer patients based on specific epithelial cancer-related biomarkers. From this dissertation it can be concluded that an increased amount in the serum of exosomes expressing epithelial cells molecular patterns as well as alkaline phosphatase activity is a promising biomarker for breast cancer patients.