Kleine extrazelluläre Vesikel (sEVs), typischerweise mit einem Durchmesser von 30 bis 200 nm, werden von Zellen auf natürliche Weise in biologische Flüssigkeiten ausgeschieden und enthalten Proteine, Lipide und Nukleinsäuren, die auf ihre Ursprungszelle 1,2,3 hinweisen. Da nicht-invasive Biomarker in Speichel, Urin und anderen Körperflüssigkeitenvorhanden sind, bieten sie vielversprechende Möglichkeiten für frühzeitige Krankheitsdiagnose, Prognose und therapeutische Überwachung, insbesondere in der Onkologie 5,6,7. Ihre klinische Übersetzung wird jedoch durch ihre hohe Heterogenität und geringe Häufigkeit in komplexen biologischen Matrizenbehindert 8. Um solche Herausforderungen zu meistern, nutzt dieses Protokoll die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS), eine leistungsstarke analytische Methode, die die Raman-Streuung über plasmonischeSubstrate 9,10,11 bis zu 10–10–1011 Mal verstärken kann. SERS erfasst innerhalb von Sekunden intrinsische molekulare "Fingerabdruck"-Spektren einzelner sEVs, was eine ultrasensitive Einzelvesikelanalyse ermöglicht und gleichzeitig lange Assay-Zeiten vermeidet.
Unsere Methode kombiniert synergetisch etikettenfreie, auf Basis von SERS, um eine schnelle, ultrasensitive Charakterisierung einzelner sEVs 12,13,14,15,16 zu erreichen. Labelfreies SERS erfasst intrinsische biochemische Signaturen und hat in Kombination mit maschinellen Lernmodellen wie LDA und SVC gezeigt, dass es sEVs von gesunden von kranken Zellen mit hoherSpezifität 13 unterscheiden kann. Um die Reproduzierbarkeit und quantitative Leistungsfähigkeit unserer Plattform weiter zu verbessern, ist unsere Methode vollständig kompatibel mit graphenbezogenen Raman-Substraten16. Einschichtiges Graphen bietet eine chemisch gleichmäßige Oberfläche, die plasmonische Hotspots stabilisiert und die molekulare Adsorption verbessert17,18, und noch wichtiger: Einschichtiges Graphen dient als "eingebautes" Messgerät der SERS-Signale12,19, was die Quantifizierungsfähigkeit der detektierten Moleküle ermöglicht. Obwohl der Durchmesser des Raman-Laserstrahls (~ 1 μm) größer ist als der eines typischen sEV, erreicht unsere Plattform eine effektive Einzel-Vesikel-Auflösung dank des einzigartigen Zusammenspiels von physikalischen und statistischen Mechanismen. Das quasi-periodische Gold-Nanopyramidensubstrat erzeugt hoch lokalisierte plasmonische "Hot Spots" von Größen kleiner als 100 nm, die Raman-Signale auf superlineare Weise verstärken12. Dadurch dominiert das Signal des sEV, das dem intensivsten Hotspot im Strahl stochastisch am nächsten liegt, das Spektrum. Zusätzlich bestätigt die SEM-Bildgebung, dass sEVs gut auseinander liegen (> 1 μm Abstand), wodurch spektrale Überlappungen minimiert werden, während Raman-Intensitätskarten eine Signallokalisierung zeigen, die der Größe einzelner Vesikelentspricht 13,14. Zusammen stellen diese Merkmale sicher, dass jedes gesammelte Spektrum überwiegend einem einzelnen sEV entspricht, was statistisch robuste, labelfreie Einzelvesikelanalyse ermöglicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen wie Western Blot, Massenspektrometrie oder regulärer Raman-Streuung, die große Probenvolumen erfordern und keine Einzelvesikel20 auflösen können, bietet unsere Einzelvesikel-SERS-Plattform überlegene Empfindlichkeit, Durchsatz und molekulare Auflösung. Dieser Arbeitsablauf ist geeignet für Forscher, die minimalinvasive, hochauflösende diagnostische Werkzeuge entwickeln oder die Heterogenität von sEV und die Effizienz der Medikamentenbelastung in individualisierten therapeutischen Studien untersuchen möchten. In diesem Protokoll zeigen wir, wie unsere SERS-Plattform einzelne sEVs nutzt, um Krankheitserkennung und therapeutische Anwendungen zu ermöglichen, insbesondere im Bereich Krebs, einschließlich des gesamten Arbeitsablaufs der Vesikelisolierung, der Vorbereitung von plasmonischen Substrats, der Raman-Erfassung und der Datenanalyse mit maschinellem Lernen.