Exploring the Application of Surface-enhanced Raman Scattering-based Biosensing of Individual sEVs in Disease Diagnosis and Therapeutics

生物传感器 纳米技术 疾病 神经科学 计算生物学 拉曼光谱 医学 计算机科学 生物医学工程 化学 生物 材料科学 临床诊断
作者
Jun Liu,Siddharth Srivastava,Sophie X. Deng,Ya-Hong Xie
出处
期刊:Journal of Visualized Experiments [MyJOVE]
卷期号: (229)
标识
DOI:10.3791/69258
摘要

This protocol outlines a comprehensive, label-free platform that integrates surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) with machine learning (ML) to detect and molecularly profile individual small extracellular vesicles (sEVs) for diagnostic and therapeutic applications. The method begins with sEV isolation using either size exclusion chromatography or ultracentrifugation. Isolated vesicles are then analyzed on engineered plasmonic gold nanopyramid 2D array substrates capable of single-vesicle sensitivity. By leveraging intrinsic Raman biochemical fingerprints, the protocol enables high-specificity detection without external labels. Following spectral acquisition, data undergo preprocessing and are analyzed using trained machine learning algorithms (e.g., LDA, SVC) to classify disease states, successfully distinguishing gastric cancer from healthy controls using sEVs from tissue, plasma, and saliva with respective classification accuracies of 90.1%, 70.9%, and 60.7%. Additionally, its therapeutic application is shown by quantifying doxorubicin loading in single sEVs, a measurement enhanced by using graphene-coated substrates as an internal standard. This approach allows for high-throughput analysis that captures population heterogeneity essential for early disease detection and understanding drug loading efficiency at the single-vesicle level.
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