Abstract
Extracellular vesicles (EVs) play an important role in cell-to-cell communication by carrying molecular messages that reflect physiological and pathological conditions of the parent cells. EVs have been identified in all body fluids; and among them, urine stands out as a sample that is easy and inexpensive to obtain and can be collected over time to monitor changes. Various protocols have been established to study urinary extracellular vesicles (UEVs) and they have shown great potential as a biomarker source for clinical applications, not only for urological, but also non-urological diseases. Due to the high variability and low reproducibility of pre-analytical and analytical methods for UEVs, establishing a standardized protocol remains a challenge in the field of diagnosis. Here, we review UEV studies and present the techniques that are most commonly used, those that have been applied as new developments, and those that have the most potential for future applications. The workflow procedures from the sampling step to the qualitative and quantitative analysis steps are summarized along with advantages and disadvantages of the methodologies, in order to give consideration for choosing the most promising and suitable method to analyze human UEVs.
Article PDF
Similar content being viewed by others
Avoid common mistakes on your manuscript.
References
M. Iero, R. Valenti, V. Huber, P. Filipazzi, G. Parmiani, S. Fais, and L. Rivoltini, Cell Death Differ., 2008, 15, 80.
K. Al-Nedawi, B. Meehan, J. Micallef, V. Lhotak, L. May, A. Guha, and J. Rak, Nat. Cell Biol., 2008, 10, 619.
J. Skog, T. Wurdinger, S. van Rijn, D. H. Meijer, L. Gainche, M. Sena-Esteves, W. T. Curry, Jr., B. S. Carter, A. M. Krichevsky, and X. O. Breakefield, Nat. Cell Biol., 2008, 10, 1470.
A. V. Vlassov, S. Magdaleno, R. Setterquist, and R. Conrad, Biochim. Biophys. Acta, 2012, 1820, 940.
C. J. Koch, R. A. Lustig, X. Y. Yang, W. T. Jenkins, R. L. Wolf, M. Martinez-Lage, A. Desai, D. Williams, and S. M. Evans, Transl. Oncol., 2014, 7, 752.
J. Zhang, S. Li, L. Li, M. Li, C. Guo, J. Yao, and S. Mi, Genomics Proteomics Bioinformatics, 2015, 13, 17.
S. Rahmati, F. Shojaei, A. Shojaeian, L. Rezakhani, and M. B. Dehkordi, Chem. Phys. Lipids, 2020, 226, 104836.
J. Jabalee, R. Towle, and C. Garnis, Cells, 2018, 7, 93.
A. T. Reiner, K. W. Witwer, B. W. M. van Balkom, J. de Beer, C. Brodie, R. L. Corteling, S. Gabrielsson, M. Gimona, A. G. Ibrahim, D. de Kleijn, C. P. Lai, J. Lotvall, H. A. Del Portillo, I. G. Reischl, M. Riazifar, C. Salomon, H. Tahara, W. S. Toh, M. H. M. Wauben, V. K. Yang, Y. Yang, R. W. Y. Yeo, H. Yin, B. Giebel, E. Rohde, and S. K. Lim, Stem Cells Transl. Med., 2017, 6, 1730.
B. W. Sodar, A. Kovacs, T. Visnovitz, E. Pallinger, K. Vekey, G. Pocsfalvi, L. Turiak, and E. I. Buzas, Expert Rev. Proteomics, 2017, 14, 1073.
O. Ruhen and K. Meehan, Proteomics, 2019, 19, e1800155.
M. Yanez-Mo, P. R. Siljander, Z. Andreu, A. B. Zavec, F. E. Borras, E. I. Buzas, K. Buzas, E. Casal, F. Cappello, J. Carvalho, E. Colas, A. Cordeiro-da Silva, S. Fais, J. M. Falcon-Perez, I. M. Ghobrial, B. Giebel, M. Gimona, M. Graner, I. Gursel, M. Gursel, N. H. Heegaard, A. Hendrix, P. Kierulf, K. Kokubun, M. Kosanovic, V. Kralj-Iglic, E. M. Kramer-Albers, S. Laitinen, C. Lasser, T. Lener, E. Ligeti, A. Line, G. Lipps, A. Llorente, J. Lotvall, M. Mancek-Keber, A. Marcilla, M. Mittelbrunn, I. Nazarenko, E. N. Nolte-’t Hoen, T. A. Nyman, L. O’Driscoll, M. Olivan, C. Oliveira, E. Pallinger, H. A. Del Portillo, J. Reventos, M. Rigau, E. Rohde, M. Sammar, F. Sanchez-Madrid, N. Santarem, K. Schallmoser, M. S. Ostenfeld, W. Stoorvogel, R. Stukelj, S. G. Van der Grein, M. H. Vasconcelos, M. H. Wauben, and O. De Wever, J. Extracell. Vesicles, 2015, 4, 27066.
R. Wiggins, A. Glatfelter, B. Kshirsagar, and T. Beals, Lab. Investig., 1987, 56, 264.
T. Pisitkun, R. F. Shen, and M. A. Knepper, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2004, 101, 13368.
W. C. Xu, G. Qian, A. Q. Liu, Y. Q. Li, and H. Q. Zou, Chin. Med. J., 2018, 131, 1357.
I. Panfoli, Transl. CancerRes., 2017, 6, S1389.
B. Dhondt, J. Van Deun, S. Vermaerke, A. de Marco, N. Lumen, O. De Wever, and A. Hendrix, Int. J. Biochem. Cell Biol., 2018, 99, 236.
T. Murakami, C. M. Yamamoto, T. Akino, H. Tanaka, N. Fukuzawa, H. Suzuki, T. Osawa, T. Tsuji, T. Seki, and H. Harada, Oncotarget, 2018, 9, 32810.
J. Linxweiler and K. Junker, Nat. Rev. Urol., 2020, 17, 11.
Y. Li, Y. Zhang, F. Qiu, and Z. Qiu, Electrophoresis, 2011, 32, 1976.
E. R. Barros and C. A. Carvajal, Front. Endocrinol., 2017, 8, 230.
A. Santelli, I. O. Sun, A. Eirin, A. M. Abumoawad, J. R. Woollard, A. Lerman, S. C. Textor, A. S. Puranik, and L. O. Lerman, J. Am. Heart Assoc., 2019, 8, e012584.
M. Y. Konoshenko, E. A. Lekchnov, A. V. Vlassov, and P. P. Laktionov, Biomed. Res. Int., 2018, 2018, 8545347.
C. Thery, K. W. Witwer, E. Aikawa {etet al.}, J. Extracell. Vesicles, 2018, 7, 1535750.
T. A. Hartjes, S. Mytnyk, G. W. Jenster, V. van Steijn, and M. E. van Royen, Bioengineering (Basel), 2019, 6, 7.
J. M. Street, E. H. Koritzinsky, D. M. Glispie, R. A. Star, and P. S. Yuen, Adv. Clin. Chem., 2017, 78, 103.
M. L. Merchant, I. M. Rood, J. K. J. Deegens, and J. B. Klein, Nat. Rev. Nephrol., 2017, 13, 731.
E. van der Pol, A. G. Hoekstra, A. Sturk, C. Otto, T. G. van Leeuwen, and R. Nieuwland, J. Thromb. Haemost., 2010, 8, 2596.
M. Yamauchi, K. Shimizu, M. Rahman, H. Ishikawa, H. Takase, S. Ugawa, A. Okada, and Y. Inoshima, Drug Dev. Ind. Pharm., 2019, 45, 359.
M. M. Rahman, K. Shimizu, M. Yamauchi, H. Takase, S. Ugawa, A. Okada, and Y. Inoshima, PLoS One, 2019, 14, e0222613.
G. Wang, B. C. Kwan, F. M. Lai, K. M. Chow, P. Kam-Tao Li, and C. C. Szeto, Dis. Markers, 2010, 28, 79.
R. J. Bryant, T. Pawlowski, J. W. F. Catto, G. Marsden, R. L. Vessella, B. Rhees, C. Kuslich, T. Visakorpi, and F. C. Hamdy, Br. J. Cancer, 2012, 106, 768.
Z. Liu, D. M. Cauvi, E. M. A. Bernardino, B. Lara, R. E. Lizardo, D. Hawisher, S. Bickler, and A. De Maio, Cell Stress Chaperones, 2018, 23, 943.
S. Dijkstra, I. L. Birker, F. P. Smit, G. H. Leyten, T. M. de Reijke, I. M. van Oort, P. F. Mulders, S. A. Jannink, and J. A. Schalken, J. Urol., 2014, 191, 1132.
R. J. Hendriks, S. Dijkstra, S. A. Jannink, M. G. Steffens, I. M. van Oort, P. F. Mulders, and J. A. Schalken, Clin. Chem. Lab. Med., 2016, 54, 483.
Y. Yuana, A. N. Boing, A. E. Grootemaat, E. van der Pol, C. M. Hau, P. Cizmar, E. Buhr, A. Sturk, and R. Nieuwland, J. Extracell. Vesicles, 2015, 4, 29260.
H. Zhou, P. S. Yuen, T. Pisitkun, P. A. Gonzales, H. Yasuda, J. W. Dear, P. Gross, M. A. Knepper, and R. A. Star, Kidney Int., 2006, 69, 1471.
P. Fernandez-Llama, S. Khositseth, P. A. Gonzales, R. A. Star, T. Pisitkun, and M. A. Knepper, Kidney Int., 2010, 77, 736.
L. Musante, D. E. Tataruch, and H. Holthofer, Front. Endocrinol., 2014, 5, 149.
A. H. Gheinani, M. Vogeli, U. Baumgartner, E. Vassella, A. Draeger, F. C. Burkhard, and K. Monastyrskaya, Sci. Rep., 2018, 8, 3945.
L. Musante, M. Saraswat, E. Duriez, B. Byrne, A. Ravida, B. Domon, and H. Holthofer, PLoS One, 2012, 7, e37279.
M. Kosanovic and M. Jankovic, Biotechniques, 2014, 57, 143.
L. Cheng, R. A. Sharples, B. J. Scicluna, and A. F. Hill, J. Extracell. Vesicles, 2014, 3, 23743
M. Vall-Palomar, J. Arevalo, G. Ariceta, and A. Meseguer, J. Transl. Med., 2018, 16, 278.
L. He, D. Zhu, J. Wang, and X. Wu, Int. J. Mol. Med., 2019, 43, 83.
I. M. Rood, J. K. Deegens, M. L. Merchant, W. P. Tamboer, D. W. Wilkey, J. F. Wetzels, and J. B. Klein, Kidney Int., 2010, 78, 810.
S. Cho, H. C. Yang, and W. J. Rhee, Process Biochem., 2020, 88, 197.
E. Oeyen, K. Van Mol, G. Baggerman, H. Willems, K. Boonen, C. Rolfo, P. Pauwels, A. Jacobs, K. Schildermans, W. C. Cho, and I. Mertens, J. Extracell. Vesicles, 2018, 7, 1490143.
M. A. Livshits, E. Khomyakova, E. G. Evtushenko, V. N. Lazarev, N. A. Kulemin, S. E. Semina, E. V. Generozov, and V. M. Govorun, Sci. Rep., 2015, 5, 17319.
D. K. Jeppesen, M. L. Hvam, B. Primdahl-Bengtson, A. T. Boysen, B. Whitehead, L. Dyrskjot, T. F. Orntoft, K. A. Howard, and M. S. Ostenfeld, J. Extracell. Vesicles, 2014, 3, 25011.
L. L. Yu, J. Zhu, J. X. Liu, F. Jiang, W. K. Ni, L. S. Qu, R. Z. Ni, C. H. Lu, and M. B. Xiao, Biomed. Res. Int., 2018, 2018, 3634563.
A. H. Gheinani, M. Vogeli, U. Baumgartner, E. Vassella, A. Draeger, F. C. Burkhard, and K. Monastyrskaya, Sci. Rep., 2018, 8, 3945.
K. C. Miranda, D. T. Bond, M. McKee, J. Skog, T. G. Paunescu, N. Da Silva, D. Brown, and L. M. Russo, Kidney Int., 2010, 78, 191.
A. Cheruvanky, H. Zhou, T. Pisitkun, J. B. Kopp, M. A. Knepper, P. S. Yuen, and R. A. Star, Am. J. Physiol. Renal Physiol., 2007, 292, F1657.
S. K. Channavajjhala, M. Rossato, F. Morandini, A. Castagna, F. Pizzolo, F. Bazzoni, and O. Olivieri, Clin. Chem. Lab. Med., 2014, 52, 345.
B. Huo, M. Chen, J. Chen, Y. Li, W. Zhang, J. Wang, W. Qin, and X. Qian, Anal. Bioanal. Chem., 2018, 410, 7305.
M. L. Merchant, D. W. Powell, D. W. Wilkey, T. D. Cummins, J. K. Deegens, I. M. Rood, K. J. McAfee, C. Fleischer, E. Klein, and J. B. Klein, Proteom. Clin. Appl., 2010, 4, 84.
P. Gonzales, T. Pisitkun, and M. A. Knepper, Nephrol. Dial. Transplant., 2008, 23, 1799.
I. Lozano-Ramos, I. Bancu, A. Oliveira-Tercero, M. P. Armengol, A. Menezes-Neto, H. A. Del Portillo, R. Lauzurica-Valdemoros, and F. E. Borras, J. Extracell. Vesicles, 2015, 4, 27369.
M. F. Peterson, N. Otoc, J. K. Sethi, A. Gupta, and T. J. Antes, Methods, 2015, 87, 31.
M. L. Alvarez, M. Khosroheidari, R. K. Ravi, and J. K. DiStefano, Kidney Int., 2012, 82, 1024.
R. K. Ravi, M. Khosroheidari, and J. K. DiStefano, J. Vis. Exp., 2015, 95, e51158.
S. Park, K. Lee, I. B. Park, N. H. Kim, S. Cho, W. J. Rhee, Y. Oh, J. Choi, S. Nam, and D. H. Lee, Diabetes Res. Clin. Pract., 2020, 160, 108010.
D. Duijvesz, C. Y. L. Versluis, C. A. M. van der Fels, M. S. Vredenbregt-van den Berg, J. Leivo, M. T. Peltola, C. H. Bangma, K. S. I. Pettersson, and G. Jenster, Int. J. Cancer, 2015, 137, 2869.
C. Campos-Silva, H. Suarez, R. Jara-Acevedo, E. Linares-Espinos, L. Martinez-Pineiro, M. Yanez-Mo, and M. Vales-Gomez, Sci. Rep., 2019, 9, 2042.
X. F. Wu, L. Li, A. Iliuk, and W. A. Tao, J. Proteome Res., 2018, 17, 3308.
T. Yasui, T. Yanagida, S. Ito, Y. Konakade, D. Takeshita, T. Naganawa, K. Nagashima, T. Shimada, N. Kaji, Y. Nakamura, I. A. Thiodorus, Y. He, S. Rahong, M. Kanai, H. Yukawa, T. Ochiya, T. Kawai, and Y. Baba, Sci. Adv., 2017, 3, e1701133.
H. K. Woo, J. Park, J. Y. Ku, C. H. Lee, V. Sunkara, H. K. Ha, and Y. K. Cho, Lab Chip, 2018, 19, 87.
L. Dong, R. C. Zieren, Y. Wang, T. M. de Reijke, W. Xue, and K. J. Pienta, Biochim. Biophys. Acta Rev. Cancer, 2019, 1871, 342.
S. C. Guo, S. C. Tao, and H. Dawn, J. Extracell. Vesicles, 2018, 7, 1508271.
L. G. Rikkert, R. Nieuwland, L. Terstappen, and F. A. W. Coumans, J. Extracell. Vesicles, 2019, 8, 1555419.
M. K. Jung and J. Y. Mun, J. Vis. Exp., 2018, 131, 56482.
S. A. Bellingham, B. M. Coleman, and A. F. Hill, Nucleic Acids Res., 2012, 40, 10937.
Y. Yuana, R. I. Koning, M. E. Kuil, P. C. Rensen, A. J. Koster, R. M. Bertina, and S. Osanto, J. Extracell. Vesicles, 2013, 2, 21494.
D. L. M. Rupert, V. Claudio, C. Lasser, and M. Bally, Biochim. Biophys. Acta—Gen. Subj., 2017, 1861, 3164.
L. Musante, S. V. Bontha, S. La Salvia, A. Fernandez-Pineros, J. Lannigan, T. H. Le, V. Mas, and U. Erdbrugger, Sci. Rep., 2020, 10, 3701.
A. Overbye, T. Skotland, C. J. Koehler, B. Thiede, T. Seierstad, V. Berge, K. Sandvig, and A. Llorente, Oncotarget, 2015, 6, 30357.
R. A. Dragovic, C. Gardiner, A. S. Brooks, D. S. Tannetta, D. J. P. Ferguson, P. Hole, B. Carr, C. W. G. Redman, A. L. Harris, P. J. Dobson, P. Harrison, and I. L. Sargent, Nanomedicine, 2011, 7, 780.
H. Lin, X. Liu, X. Xu, L. M. Luca Musante, H. H. Harry Holthofer, and H. Zou, Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao, 2015, 35, 1530.
V. Mussack, G. Wittmann, and M. W. Pfaffl, Biomol. Detect. Quantif., 2019, 17, 100089.
S. Baldwin, C. Deighan, E. Bandeira, K. J. Kwak, M. Rahman, P. Nana-Sinkam, L. J. Lee, and M. E. Paulaitis, Nanomedicine, 2017, 13, 765.
M. I. Ramirez, M. G. Amorim, C. Gadelha, I. Milic, J. A. Welsh, V. M. Freitas, M. Nawaz, N. Akbar, Y. Couch, L. Makin, F. Cooke, A. L. Vettore, P. X. Batista, R. Freezor, J. A. Pezuk, L. Rosa-Fernandes, A. C. O. Carreira, A. Devitt, L. Jacobs, I. T. Silva, G. Coakley, D. N. Nunes, D. Carter, G. Palmisano, and E. Dias-Neto, Nanoscale, 2018, 10, 881.
M. Mork, S. Pedersen, J. Botha, S. M. Lund, and S. R. Kristensen, Scand. J. Clin. Lab Invest., 2016, 76, 349.
R. Vogel, F. A. Coumans, R. G. Maltesen, A. N. Boing, K. E. Bonnington, M. L. Broekman, M. F. Broom, E. I. Buzas, G. Christiansen, N. Hajji, S. R. Kristensen, M. J. Kuehn, S. M. Lund, S. L. Maas, R. Nieuwland, X. Osteikoetxea, R. Schnoor, B. J. Scicluna, M. Shambrook, J. de Vrij, S. I. Mann, A. F. Hill, and S. Pedersen, J. Extracell. Vesicles, 2016, 5, 31242.
J. de Vrij, S. L. Maas, M. van Nispen, M. Sena-Esteves, R. W. Limpens, A. J. Koster, S. Leenstra, M. L. Lamfers, and M. L. Broekman, Nanomedicine (Lond.), 2013, 8, 1443.
K. Igami, T. Uchiumi, S. Ueda, K. Kamioka, D. Setoyama, K. Gotoh, M. Akimoto, S. Matsumoto, and D. Kang, Peer J Analytical Chemistry, 2020, 2, e4.
P. A. Gonzales, T. Pisitkun, J. D. Hoffert, D. Tchapyjnikov, R. A. Star, R. Kleta, N. S. Wang, and M. A. Knepper, J. Am. Soc. Nephrol., 2009, 20, 363.
K. Fujita, H. Kume, K. Matsuzaki, A. Kawashima, T. Ujike, A. Nagahara, M. Uemura, Y. Miyagawa, T. Tomonaga, and N. Nonomura, Sci. Rep., 2017, 7, 42961.
S. Chutipongtanate and K. D. Greis, Sci. Rep., 2018, 8, 15039.
S. Wang, K. Kojima, J. A. Mobley, and A. B. West, EBioMedicine, 2019, 45, 351.
L. Santucci, M. Bruschi, G. Candiano, F. Lugani, A. Petretto, A. Bonanni, and G. M. Ghiggeri, Biomark. Insights, 2016, 11, 41.
G. De Palma, F. Sallustio, and F. P. Schena, Int. J. Mol. Sci., 2016, 17, 1043.
F. Royo, P. Zuniga-Garcia, P. Sanchez-Mosquera, A. Egia, A. Perez, A. Loizaga, R. Arceo, I. Lacasa, A. Rabade, E. Arrieta, R. Bilbao, M. Unda, A. Carracedo, and J. M. Falcon-Perez, J. Extracell. Vesicles, 2016, 5, 29497.
B. G. Bazzell, W. E. Rainey, R. J. Auchus, D. Zocco, M. Bruttini, S. L. Hummel, and J. B. Byrd, Circ. Genom. Precis. Med., 2018, 11, e002213
L. Moldovan, K. Batte, Y. Wang, J. Wisler, and M. Piper, Methods Mol. Biol., 2013, 1024, 129.
P. M. Gunasekaran, J. M. Luther, and J. B. Byrd, Biomol. Detect. Quantif., 2019, 17, 100090.
M. Rodriguez, C. Bajo-Santos, N. P. Hessvik, S. Lorenz, B. Fromm, V. Berge, K. Sandvig, A. Line, and A. Llorente, Mol. Cancer, 2017, 16, 156.
A. Turchinovich, O. Drapkina, and A. Tonevitsky, Front. Immunol., 2019, 10, 202.
Acknowledgments
This research was supported by PRESTO (JPMJPR19H9), Japan Science and Technology Agency (JST), the JSPS Grant-in-Aid for Young Scientists (A) 17H04803, the JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (S) 18H05243, the JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (A) 16H02091, the Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas “Chemistry for Multimolecular Crowding Biosystems” 17H06354, a research granted from The Murata Science Foundation, Advanced Technology Institute Research Grants 2019, Foundation of Public Interest of Tatematsu, and The Nitto Foundation.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Paisrisarn, P., Yasui, T. & Baba, Y. A Method to Analyze Urinary Extracellular Vesicles. ANAL. SCI. 36, 791–798 (2020). https://doi.org/10.2116/analsci.20R001
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.2116/analsci.20R001