Abstract
Exosomes, extracellular vesicles (EVs) that play crucial roles in biological processes, have emerged as attractive targets for noninvasive disease diagnosis and monitoring. Mass spectrometry (MS) offers high sensitivity, high throughput, and excellent qualification and quantification capacity, which is the ideal approach for exosome analysis. Nanomaterials’ unique physiochemical properties, controllable morphology, and large surface area make them promising in biological sample pretreatment and detection. They contributed diverse functions to the exosome MS analysis, encompassing substrates for exosome isolation and cargos enrichment, matrices for laser desorption/ionization (LDI), read-out signals and supporters for signal amplification strategies, etc. In this review, recent progress in the applications of nanomaterial in the exosome MS analysis was summarized and a comprehensive discussion on the challenges and perspectives was proposed for the development of an advancing analysis approach of exosomes for the accurate diagnosis and monitoring of diseases.
Similar content being viewed by others
References
Kalluri R., Le Bleu V. S., Science, 2020, 367, eaau6977
Chen G., Huang A. C., Zhang W., Zhang G., Wu M., Xu W., Yu Z. L., Yang J. G., Wang B. K., Sun H. H., Xia H. F., Man Q. W., Zhong W. Q., Antelo L. F., Wu B., Xiong X. P., Liu X. M., Guan L., Li T., Liu S. J., Yang R. F., Lu Y. T., Dong L. Y., McGettigan S., Somasundaram R., Radhakrishnan R., Mills G., Lu Y. L., Kim J., Chen Y. H. H., Dong H. D., Zhao Y. F., Karakousis G. C., Mitchell T. C., Schuchter L. M., Herlyn M., Wherry E. J., Xu X. W., Guo W., Nature, 2018, 560, 382
Costa-Silva B., Aiello N. M., Ocean A. J., Singh S., Zhang H. Y., Thakur B. K., Becker A., Hoshino A., Mark M. T., Molina H., Xiang J., Zhang T., Theilen T. M., Garcia-Santos G., Williams C., Ararso Y., Huang Y. J., Rodrigues G., Shen T. L., Labori K. J., Lothe I. M. B., Kure E. H., Hernandez J., Doussot A., Ebbesen S. H., Grandgenett P. M., Hollingsworth M. A., Jain M., Mallya K., Batra S. K., Jarnagin W. R., Schwartz R. E., Matei I., Peinado H., Stanger B. Z., Bromberg J., Lyden D., Nat. Cell Biol., 2015, 17, 816
Pitt J. M., Kroemer G., Zitvogel L., J. Clin. Invest., 2016, 126, 1139
Richards K. E., Zeleniak A. E., Fishel M. L., Wu J., Littlepage L. E., Hill R., Oncogene, 2017, 36, 1770
Melo S. A., Luecke L. B., Kahlert C., Fernandez A. F., Gammon S. T., Kaye J., LeBleu V. S., Mittendorf E. A., Weitz J., Rahbari N., Reissfelder C., Pilarsky C., Fraga M. F., Piwnica-Worms D., Kalluri R., Nature, 2015, 523, 177
Pisitkun T., Shen R. F., Knepper M. A., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004, 101, 13368
Yenuganti V. R., Afroz S., Khan R. A., Bharadwaj C., Nabariya D. K., Nayak N., Subbiah M., Chintala K., Banerjee S., Reddanna P., Khan N., J. Nanobiotechnology, 2022, 20, 317
Sun Y., Liu S., Qiao Z., Shang Z., Xia Z. J., Niu X. M., Qian L. Q., Zhang Y., Fan L. Y., Cao C. X., Xiao H., Anal. Chim. Acta, 2017, 982, 84
Qi H. Z., Liu C. Y., Long L. X., Ren Y., Zhang S. S., Chang X. D., Qian X. M., Jia H. H., Zhao J., Sun J. J., Hou X., Yuan X. B., Kang C. S., ACS Nano, 2016, 10, 3323
Cheng L. S., Hill A. F., Nat. Rev. Drug Discov., 2022, 21, 379
Chen I. H., Xue L., Hsu C. C., Paez J. S. P., Pan L., Andaluz H., Wendt M. K., Iliuk A. B., Zhu J. K., Tao W. A., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, 114, 3175
Snyder O. L., Campbell A. W., Christenson L. K., Weiss M. L., Jove-J. Vis. Exp., 2021, 177, e63059
Shao H. L., Im H., Castro C. M., Breakefield X., Weissleder R., Lee H. H., Chem. Rev., 2018, 118, 1917
Fang X., Wang Y., Wang S., Liu B., Mater. Today Bio, 2022, 16, 100371
Zhang N., Chen H. L., Yang C. J., Hu X. F., Sun N. R., Deng C. H., Trends Analyt. Chem., 2022, 153, 116652
Cheng N., Du D., Wang X. X., Liu D., Xu W. T., Luo Y. B., Lin Y. H., Trends Biotechnol., 2019, 37, 1236
Li S. T., Zhu L. Y., Zhu L. J., Mei X. H., Xu W. T., Biosens. Bioelectron., 2022, 200, 113902
Qiu G. Y., Thakur A., Xu C., Ng S. P., Lee Y., Wu C. M. L., Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806761
Sun Z. W., Yang J. J., Li H., Wang C. X., Fletcher C., Li J., Zhan Y., Du L. T., Wang F. L., Jiang Y. N., Biomaterials, 2021, 274, 120873
Liu C. C., Xu X. N., Li B., Situ B., Pan W. L., Hu Y., An T. X., Yao S. H., Zheng L., Nano Lett., 2018, 18, 4226
Stremersch S., Marro M., Pinchasik B. E., Baatsen P., Hendrix A., De Smedt S. C., Loza-Alvarez P., Skirtach A. G., Raemdonck K., Braeckmans K., Small, 2016, 12, 3292
Zhu Y. D., Pick H., Gasilova N., Li X. Y., Lin T. E., Laeubli H. P., Zippelius A., Ho P. C., Girault H. H., Chem, 2019, 5, 1318
Wang Y. N., Zhang K., Huang X. D., Qiao L., Liu B. H., Anal. Chem., 2021, 93, 709
Taylor D. D., Shah S., Methods, 2015, 87, 3
Han Z., Peng C., Yi J., Wang Y., Liu Q., Yang Y., Long S., Qiao L., Shen Y., iScience, 2021, 24, 102906
Ye L. B., Neale C., Sljoka A., Lyda B., Pichugin D., Tsuchimura N., Larda S. T., Pomes R., Garcia A. E., Ernst O. P., Sunahara R. K., Prosser R. S., Nat. Commun., 2018, 9, 1372
Li D., Yi J., Han G., Qiao L., ACS Meas. Sci. Au, 2022, 2, 385
Chen H. L., Huang C. W., Wu Y. L., Sun N. R., Deng C. H., ACS Nano, 2022, 16, 12952
Zheng H. Y., Zhao J. D., Wang X. T., Yan S. H., Chu H. M., Gao M. X., Zhang X. M., Anal. Chem., 2022, 94, 1831
Escola J. M., Kleijmeer M. J., Stoorvogel W., Griffith J. M., Yoshie O., Geuze H. J., J. Biol. Chem., 1998, 273, 20121
Théry C., Regnault A., Garin J., Wolfers J., Zitvogel L., Ricciardi-Castagnoli P., Raposo G., Amigorena S., J. Cell Biol., 1999, 147, 599
Gao X., Ran N., Dong X., Zuo B., Yang R., Zhou Q., Moulton H. M., Seow Y., Yin H., Sci. Transl. Med., 2018, 10, eaat0195
Zhu J. H., Zhang J., Ji X. H., Tan Z. J., Lubman D. M., J. Proteome Res., 2021, 20, 4901
Moura S. L., Martín C. G., Martí M., Pividori M. I., Biosens. Bioelectron., 2020, 150, 111882
Cai S., Luo B., Jiang P. P., Zhou X. X., Lan F., Yi Q. Y., Wu Y., Nanoscale, 2018, 10, 14280
Chang M. M., Wang Q. Q., Qin W. S., Shi X. Z., Xu G. W., Anal. Chem., 2020, 92, 15497
Pham Q. N., Winter M., Milanova V., Young C., Condina M. R., Hoffmann P., Pham N. T. H., Tung T. T., Losic D., Thierry B., Nanoscale, 2023, 15, 1236
Mori K., Hirase M., Morishige T., Takano E., Sunayama H., Kitayama Y., Inubushi S., Sasaki R., Yashiro M., Takeuchi T., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1612
Fang X. N., Duan Y. K., Adkins G. B., Pan S. Q., Wang H., Liu Y., Zhong W. W., Anal. Chem., 2018, 90, 2787
Leitner A., Trends Anal. Chem., 2010, 29, 177
Sano A., Nakamura H., Anal. Sci., 2007, 23, 1285
Gao F. Y., Jiao F. L., Xia C. S., Zhao Y., Ying W. T., Xie Y. P., Guan X. Y., Tao M., Zhang Y. J., Qin W. J., Qian X. H., Chem. Sci., 2019, 10, 1579
Xiang X. C., Guan F. L., Jiao F. L., Li H., Zhang W. J., Zhang Y. J., Qin W. J., Anal. Methods-UK, 2021, 13, 1591
Zhao L. P., Shi J. H., Chang L., Wang Y. H., Liu S., Li Y., Zhang T., Zuo T., Fu B., Wang G. B., Ruan Y. Y., Zhang Y. L., Xu P., ACS Omega, 2021, 6, 827
Zhang C. H., Pan Y. I., Zhao Y. M., Wang P. Y., Zhang L. Y., Zhang W. B., Anal. Chim. Acta, 2021, 1186, 339099
Wu G. Y., Lu F., Zhao J. L., Feng X., Ren Y. J., Hu S. T., Yu W. J., Dong B., Hu L. H., J. Chromatogr. A, 2024, 1714, 464543
Wu G., Geng H., Xu R., Deng M., Yang C., Xun C., Wang Y., Cai Q., Chen P., Talanta, 2021, 226, 122186
Yan S., Huang Z., Chen X., Chen H., Yang X., Gao M., Zhang X., Anal. Bioanal. Chem., 2023, 415, 6411
Sun J., Han S. Y., Ma L. Y., Zhang H., Zhan Z., Aguilar H. A., Zhang H. Y., Xiao K., Gu Y. H., Gu Z. Z., Tao W. A., ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 3622
Liu L. K., Liu J. H., Zhou W., Sui Z. G., Liu J., Yang K. G., Zhang L. H., Liang Z., Zhang Y. K., J. Mater. Chem. B, 2022, 10, 6655
Zhou J. T., Cheng X. H., Guo Z. C., Ali M. M., Zhang G. Y., Tao W. A., Hu L. H., Liu Z., Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202213938
Li Y. L., Yang K. G., Yuan H. M., Zhang W. J., Sui Z. G., Wang N., Lin H. L., Zhang L. H., Zhang Y. K., Anal. Chem., 2021, 93, 16835
Chen Y., Zhu Q., Cheng L., Wang Y., Li M., Yang Q., Hu L., Lou D., Li J., Dong X., Lee L. P., Liu F., Nat. Methods, 2021, 18, 212
Ye W., Pan R., Shi K.-Q., Li H.-P., Lee L. P., Liu F., Biosens. Bioelectron., 2022, 10, 100099
Wang S. R., He Y., Lu J. Y., Wang Y. Q., Wu X. F., Yan G. Q., Fang X. N., Liu B. H., ACS Appl. Mater. Inter., 2022, 14, 36341
Chen Y. J., Chen H. L., Yang C. J., Wu Y. L., Deng C. H., Sun N. R., Chin. Chem. Lett., 2023, 34, 107352
Bai H. H., Pan Y. T., Qi L., Liu L., Zhao X. Y., Dong H. Y., Cheng X. Q., Qin W. J., Wang X. H., Talanta, 2018, 186, 513
Xia C. S., Jiao F. L., Gao F. Y., Wang H. P., Lv Y. Y., Shen Y. H., Zhang Y. J., Qian X. H., Anal. Chem., 2018, 90, 6651
Zhang H. Q., Lv Y. Y., Du J., Shao W., Jiao F. L., Xia C. S., Gao F. Y., Yu Q., Liu Y. Y., Zhang W. J., Zhang Y. J., Qin W. J., Qian X. H., Anal. Chim. Acta., 2020, 1098, 181
Jiao F., Gao F., Wang H., Deng Y., Zhang Y., Qian X., Zhang Y., Sci. Rep., 2017, 7, 6984
Li C. W., Lim S. O., Xia W. Y., Lee H. H., Chan L. C., Kuo C. W., Khoo K. H., Chang S. S., Cha J. H., Kim T. W., Hsu J. L., Wu Y., Hsu J. M., Yamaguchi H., Ding Q. Q., Wang Y., Yao J., Lee C. C., Wu H. J., Sahin A. A., Allison J. P., Yu D. H., Hortobagyi G. N., Hung M. C., Nat. Commun., 2016, 7, 12632
Liu J. J., Sharma K., Zangrandi L., Chen C. G., Humphrey S. J., Chiu Y. T., Spetea M., Liu-Chen L. Y., Schwarzer C., Mann M., Science, 2018, 360, eaao4927
Ma W., Zhang F., Li L. P., Chen S., Qi L. M., Liu H. W., Bai Y., ACS Appl. Mater. Inter., 2016, 8, 35099
Zheng H. Y., Guan S., Wang X. T., Zhao J. D., Gao M. X., Zhang X. M., Anal. Chem., 2020, 92, 9239
Xiong F., Jia J., Ma J., Jia Q., Nanoscale, 2022, 14, 853
Zhang Y., Peng Y., Yang L. J., Lu H. J., Trends Analyt. Chem., 2018, 99, 34
Wu Y., Zhang N., Wu H., Sun N., Deng C., Microchim. Acta, 2021, 188, 66
Lv J., Wang Z., Li F., Zhang Y., Lu H., Chem. Commun., 2019, 55, 14339
Costa J., Gatermann M., Nimtz M., Kandzia S., Glatzel M., Conradt H. S., Anal. Chem., 2018, 90, 7871
Wang X. Y., Bai P. R., Li Z. Y., Zhu Q. F., Wei Z. W., Feng Y. Q., Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202208138
Lin W. F., Conway L. P., Vujasinovic M., Löhr J. M., Globisch D., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 23232
Zhang H., Li X. J., Martin D. B., Aebersold R., Nat. Biotechnol., 2003, 21, 660
Ma W., Xu S. T., Nie H. G., Hu B. Y., Bai Y., Liu H. W., Chem. Sci., 2019, 10, 2320
Yin X., Yang J., Zhang M., Wang X., Xu W., Price C.-A. H., Huang L., Liu W., Su H., Wang W., Chen H., Hou G., Walker M., Zhou Y., Shen Z., Liu J., Qian K., Di W., ACS Nano, 2022, 16, 2852
Huang L., Wan J., Wei X., Liu Y., Huang J., Sun X., Zhang R., Gurav D. D., Vedarethinam V., Li Y., Chen R., Qian K., Nat. Commun., 2017, 8, 220
Yang J., Wang R., Huang L., Zhang M., Niu J., Bao C., Shen N., Dai M., Guo Q., Wang Q., Wang Q., Fu Q., Qian K., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 59, 1703
Huang L., Gurav D. D., Wu S., Xu W., Vedarethinam V., Yang J., Su H., Wan X., Fang Y., Shen B., Price C.-A. H., Velliou E., Liu J., Qian K., Matter, 2019, 1, 1669
Yagnik G. B., Hansen R. L., Korte A. R., Reichert M. D., Vela J., Lee Y. J., Anal. Chem., 2016, 88, 8926
Ma W., Xu S. T., Ai W. P., Lin C., Bai Y., Liu H. W., Chem. Commun., 2019, 55, 6898
Vedarethinam V., Huang L., Zhang M., Su H., Hu H., Xia H., Liu Y., Wu B., Wan X., Shen J., Xu L., Liu W., Ma J., Qian K., Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2002791
Li S., Ding H., Qi Z., Yang J., Huang J., Huang L., Zhang M., Tang Y., Shen N., Qian K., Guo Q., Wan J., Adv. Sci., 2023, 11, 2304610
Zhang G., Ma C., He Q., Dong H., Cui L., Li L., Li L., Wang Y., Wang X., iScience, 2023, 26, 106622
Huang L., Wang L., Hu X., Chen S., Tao Y., Su H., Yang J., Xu W., Vedarethinam V., Wu S., Liu B., Wan X., Lou J., Wang Q., Qian K., Nat. Commun., 2020, 11, 3556
Shi F., Huang C., Ren Y., Deng C., Sun N., Shen X., Anal. Chem., 2022, 94, 16204
Sun X., Huang L., Zhang R., Xu W., Huang J., Gurav D. D., Vedarethinam V., Chen R., Lou J., Wang Q., Wan J., Qian K., ACS Cent. Sci., 2018, 4, 223
Chen H., Huang C., Wu Y., Sun N., Deng C., ACS Nano, 2022, 16, 12952
Chen H., Zhang N., Wu Y., Yang C., Xie Q., Deng C., Sun N., Small Sci., 2022, 2, 2100118
Yan S. H., Zheng H. Y., Zhao J. D., Gao M. X., Zhang X. M., Anal. Chem., 2023, 95, 10196
Chen H. L., Qi Y., Yang C. Y., Tai Q. F., Zhang M., Shen X. Z., Deng C. H., Guo J. M., Jiang S., Sun N. R., ACS Nano, 2023, 17, 23924
Xu S. T., Ma W., Bai Y., Liu H. W., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 72
Zhang Z. Z., Xu H. M., Fan Y. Y., Zhang X., Wang W., Zhu J. J., Min Q. H., Nano Lett., 2023, 23, 1820
Rodríguez-Menéndez S., Fernández B., González-Iglesias H., García M., Alvarez L., Alonso J. I. G., Pereiro R., Anal. Chem., 2019, 91, 4488
Wei X., Zheng D. H., Cai Y., Jiang R., Chen M. L., Yang T., Xu Z. R., Yu Y. L., Wang J. H., Anal. Chem., 2018, 90, 14543
Zhang Y. Z., Wei Y. Y., Liu P., Zhang X., Xu Z. R., Tan X. D., Chen M. L., Wang J. H., Anal. Chem., 2021, 93, 11540
Cheng Y. H., Xie Q. H., He M., Chen B. B., Chen G., Yin X., Kang Q., Xu Y., Hu B., Anal. Chim. Acta, 2022, 1212, 339938
Zhang X. W., Liu M. X., He M. Q., Chen S., Yu Y. L., Wang J. H., Anal. Chem., 2021, 93, 6437
Wen Y., Zhang X. W., Li Y. Y., Chen S., Yu Y. L., Wang J. H., Anal. Chem., 2022, 94, 16196
Lovric J., Dunevall J., Larsson A., Ren L., Andersson S., Meibom A., Malmberg P., Kurczy M. E., Ewing A. G., ACS Nano, 2017, 11, 3446
Castro D. C., Xie Y. R., Rubakhin S. S., Romanova E. V., Sweedler J. V., Nat. Methods, 2021, 18, 1233
Niehaus M., Soltwisch J., Belov M. E., Dreisewerd K., Nat. Methods, 2019, 16, 925
Zheng L., Wang H., Zuo P., Liu Y. L., Xu H. Y., Ye B. C., Anal. Chem., 2022, 94, 7703
Yue X. Y., Fang X. X., Sun T., Yi J. W., Kuang X. J., Guo Q. S., Wang Y., Gu H. C., Xu H., Biosens. Bioelectron., 2022, 211, 114384
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 22074003, 22125401 and 22104127) and the National Key R&D Program of China (No. 2022YFC3400700).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Ethics declarations
BAI Yu is a youth executive editorial board member for Chemical Research in Chinese Universities and was not involved in the editorial review or the decision to publish this article. The authors declare no conflicts of interest.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Zhang, Y., Zhou, B., Li, Q. et al. Nanomaterial Assisted Exosome Analysis Using Mass Spectrometry. Chem. Res. Chin. Univ. 40, 237–254 (2024). https://doi.org/10.1007/s40242-024-4004-x
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s40242-024-4004-x