The heterogeneity of exosomal populations has hindered our understanding of their biogenesis, molecular composition, biodistribution and functions. By employing asymmetric flow field-flow fractionation (AF4), we identified two exosome subpopulations (large exosome vesicles, Exo-L, 90–120 nm; small exosome vesicles, Exo-S, 60–80 nm) and discovered an abundant population of non-membranous nanoparticles termed ‘exomeres’ (~35 nm). Exomere proteomic profiling revealed an enrichment in metabolic enzymes and hypoxia, microtubule and coagulation proteins as well as specific pathways, such as glycolysis and mTOR signalling. Exo-S and Exo-L contained proteins involved in endosomal function and secretion pathways, and mitotic spindle and IL-2/STAT5 signalling pathways, respectively. Exo-S, Exo-L and exomeres each had unique N-glycosylation, protein, lipid, DNA and RNA profiles and biophysical properties. These three nanoparticle subsets demonstrated diverse organ biodistribution patterns, suggesting distinct biological functions. This study demonstrates that AF4 can serve as an improved analytical tool for isolating extracellular vesicles and addressing the complexities of heterogeneous nanoparticle subpopulations. Lyden and colleagues use asymmetric flow field-flow fractionation to classify nanoparticles derived from cell lines and human samples, including previously uncharacterized large, Exo-L and small, Exo-S, exosome subsets.

There is an unmet clinical need for improved tissue and liquid biopsy tools for cancer detection. We investigated the proteomic profile of extracellular vesicles and particles (EVPs) in 426 human samples from tissue explants (TEs), plasma, and other bodily fluids. Among traditional exosome markers, CD9, HSPA8, ALIX, and HSP90AB1 represent pan-EVP markers, while ACTB, MSN, and RAP1B are novel pan-EVP markers. To confirm that EVPs are ideal diagnostic tools, we analyzed proteomes of TE- (n = 151) and plasma-derived (n = 120) EVPs. Comparison of TE EVPs identified proteins (e.g., VCAN, TNC, and THBS2) that distinguish tumors from normal tissues with 90% sensitivity/94% specificity. Machine-learning classification of plasma-derived EVP cargo, including immunoglobulins, revealed 95% sensitivity/90% specificity in detecting cancer. Finally, we defined a panel of tumor-type-specific EVP proteins in TEs and plasma, which can classify tumors of unknown primary origin. Thus, EVP proteins can serve as reliable biomarkers for cancer detection and determining cancer type.

The protumorigenic functions for autophagy are largely attributed to its ability to promote cancer cell survival in response to diverse stresses. Here we demonstrate an unexpected connection between autophagy and glucose metabolism that facilitates adhesion-independent transformation driven by a strong oncogenic insult-mutationally active Ras. In cells ectopically expressing oncogenic H-Ras as well as human cancer cell lines harboring endogenous K-Ras mutations, autophagy is induced following extracellular matrix detachment. Inhibiting autophagy due to the genetic deletion or RNA interference-mediated depletion of multiple autophagy regulators attenuates Ras-mediated adhesion-independent transformation and proliferation as well as reduces glycolytic capacity. Furthermore, in contrast to autophagy-competent cells, both proliferation and transformation in autophagy-deficient cells expressing oncogenic Ras are insensitive to reductions in glucose availability. Overall, increased glycolysis in autophagy-competent cells facilitates Ras-mediated adhesion-independent transformation, suggesting a unique mechanism by which autophagy may promote Ras-driven tumor growth in specific metabolic contexts.

Scanning electron microscopy (SEM) offers an unparalleled view of the membrane topography of mammalian cells by using a conventional osmium (OsO4) and ethanol-based tissue preparation. However, conventional SEM methods limit optimal resolution due to ethanol and lipid interactions and interfere with visualization of fluorescent reporter proteins. Therefore, SEM correlative light and electron microscopy (CLEM) has been hindered by the adverse effects of ethanol and OsO4 on retention of fluorescence signals. To overcome this technological gap in achieving high-resolution SEM and retain fluorescent reporter signals, we developed a freeze-drying method with gaseous nitrogen (FDGN). We demonstrate that FDGN preserves cyto-architecture to allow visualization of detailed membrane topography while retaining fluorescent signals and that FDGN processing can be used in conjunction with a variety of high-resolution imaging systems to enable collection and validation of unique, high-quality data from these approaches. In particular, we show that FDGN coupled with high resolution microscopy provided detailed insight into viral or tumor-derived extracellular vesicle (TEV)-host cell interactions and may aid in designing new approaches to intervene during viral infection or to harness TEVs as therapeutic agents.