Human glioblastoma cells release microvesicles containing a diverse set of proteins, miRNAs and mRNAs, which can be taken up by normal host cells that translate the mRNA. Glioma-derived microvesicles carrying the specific tumour markers EGFRvIII and miRNA-21 promote cell proliferation and may serve as a diagnostic tool. Glioblastoma tumour cells release microvesicles (exosomes) containing mRNA, miRNA and angiogenic proteins. These microvesicles are taken up by normal host cells, such as brain microvascular endothelial cells. By incorporating an mRNA for a reporter protein into these microvesicles, we demonstrate that messages delivered by microvesicles are translated by recipient cells. These microvesicles are also enriched in angiogenic proteins and stimulate tubule formation by endothelial cells. Tumour-derived microvesicles therefore serve as a means of delivering genetic information and proteins to recipient cells in the tumour environment. Glioblastoma microvesicles also stimulated proliferation of a human glioma cell line, indicating a self-promoting aspect. Messenger RNA mutant/variants and miRNAs characteristic of gliomas could be detected in serum microvesicles of glioblastoma patients. The tumour-specific EGFRvIII was detected in serum microvesicles from 7 out of 25 glioblastoma patients. Thus, tumour-derived microvesicles may provide diagnostic information and aid in therapeutic decisions for cancer patients through a blood test.

Exosomes can transfer proteins and nucleic acids from one cell to another, altering the phenotype of the recipient cell. In the case of cancer, tumor-derived exosomes have been shown to promote tumor cell proliferation. Now, in a mouse model of melanoma, Peinado et al. report that exosomes derived from highly metastatic tumor cells can influence bone marrow cells, resulting in increased recruitment of provasculogenic bone marrow progenitors to sites of metastasis, increased primary tumor growth and metastatic spread. Tumor-derived exosomes are emerging mediators of tumorigenesis. We explored the function of melanoma-derived exosomes in the formation of primary tumors and metastases in mice and human subjects. Exosomes from highly metastatic melanomas increased the metastatic behavior of primary tumors by permanently 'educating' bone marrow progenitors through the receptor tyrosine kinase MET. Melanoma-derived exosomes also induced vascular leakiness at pre-metastatic sites and reprogrammed bone marrow progenitors toward a pro-vasculogenic phenotype that was positive for c-Kit, the receptor tyrosine kinase Tie2 and Met. Reducing Met expression in exosomes diminished the pro-metastatic behavior of bone marrow cells. Notably, MET expression was elevated in circulating CD45−C-KITlow/+TIE2+ bone marrow progenitors from individuals with metastatic melanoma. RAB1A, RAB5B, RAB7 and RAB27A, regulators of membrane trafficking and exosome formation, were highly expressed in melanoma cells. Rab27A RNA interference decreased exosome production, preventing bone marrow education and reducing, tumor growth and metastasis. In addition, we identified an exosome-specific melanoma signature with prognostic and therapeutic potential comprised of TYRP2, VLA-4, HSP70, an HSP90 isoform and the MET oncoprotein. Our data show that exosome production, transfer and education of bone marrow cells supports tumor growth and metastasis, has prognostic value and offers promise for new therapeutic directions in the metastatic process.

The emergence of publications on extracellular RNA (exRNA) and extracellular vesicles (EV) has highlighted the potential of these molecules and vehicles as biomarkers of disease and therapeutic targets. These findings have created a paradigm shift, most prominently in the field of oncology, prompting expanded interest in the field and dedication of funds for EV research. At the same time, understanding of EV subtypes, biogenesis, cargo and mechanisms of shuttling remains incomplete. The techniques that can be harnessed to address the many gaps in our current knowledge were the subject of a special workshop of the International Society for Extracellular Vesicles (ISEV) in New York City in October 2012. As part of the “ISEV Research Seminar: Analysis and Function of RNA in Extracellular Vesicles (evRNA)”, 6 round‐table discussions were held to provide an evidence‐based framework for isolation and analysis of EV, purification and analysis of associated RNA molecules, and molecular engineering of EV for therapeutic intervention. This article arises from the discussion of EV isolation and analysis at that meeting. The conclusions of the round table are supplemented with a review of published materials and our experience. Controversies and outstanding questions are identified that may inform future research and funding priorities. While we emphasize the need for standardization of specimen handling, appropriate normative controls, and isolation and analysis techniques to facilitate comparison of results, we also recognize that continual development and evaluation of techniques will be necessary as new knowledge is amassed. On many points, consensus has not yet been achieved and must be built through the reporting of well‐controlled experiments.

Tumour cells release an abundance of microvesicles containing a selected set of proteins and RNAs. Here, we show that tumour microvesicles also carry DNA, which reflects the genetic status of the tumour, including amplification of the oncogene c-Myc. We also find amplified c-Myc in serum microvesicles from tumour-bearing mice. Further, we find remarkably high levels of retrotransposon RNA transcripts, especially for some human endogenous retroviruses, such as LINE-1 and Alu retrotransposon elements, in tumour microvesicles and these transposable elements could be transferred to normal cells. These findings expand the nucleic acid content of tumour microvesicles to include: elevated levels of specific coding and non-coding RNA and DNA, mutated and amplified oncogene sequences and transposable elements. Thus, tumour microvesicles contain a repertoire of genetic information available for horizontal gene transfer and potential use as blood biomarkers for cancer. Microvesicles containing RNA are released from tumour cells. Here, the authors show that microvesicles released from tumour cells in culture have amplified levels of thec-Myconcogene, which is also found in the cell of origin, suggesting that microvesicles could be used as biomarkers.

Herein, we describe a novel approach in the search for prostate cancer biomarkers, which relies on the transcriptome within tumour exosomes. As a proof-of-concept, we show the presence of two known prostate cancer biomarkers, PCA-3 and TMPRSS2:ERG the in exosomes isolated from urine of patients, showing the potential for diagnosis and monitoring cancer patients status.

Importance

 Overdiagnosis and overtreatment of indolent prostate cancer (PCA) is a serious health issue in most developed countries. There is an unmet clinical need for noninvasive, easy to administer, diagnostic assays to help assess whether a prostate biopsy is warranted. 

Objective

 To determine the performance of a novel urine exosome gene expression assay (the ExoDx Prostate IntelliScore urine exosome assay) plus standard of care (SOC) (ie, prostate-specific antigen [PSA] level, age, race, and family history) vs SOC alone for discriminating between Gleason score (GS)7 and GS6 and benign disease on initial biopsy. 

Design, Setting, and Participants

 In training, using reverse-transcriptase polymerase chain reaction (PCR), we compared the urine exosome gene expression assay with biopsy outcomes in 499 patients with prostate-specific antigen (PSA) levels of 2 to 20 ng/mL. The derived prognostic score was then validated in 1064 patients from 22 community practice and academic urology clinic sites in the United States. Eligible participants included PCA-free men, 50 years or older, scheduled for an initial or repeated prostate needle biopsy due to suspicious digital rectal examination (DRE) findings and/or PSA levels (limit range, 2.0-20.0 ng/mL). 

Main Outcomes and Measures

 Evaluate the assay using the area under receiver operating characteristic curve (AUC) in discrimination of GS7 or greater from GS6 and benign disease on initial biopsy. 

Results

 In 255 men in the training target population (median age 62 years and median PSA level 5.0 ng/mL, and initial biopsy), the urine exosome gene expression assay plus SOC was associated with improved discrimination between GS7 or greater and GS6 and benign disease: AUC 0.77 (95% CI, 0.71-0.83) vs SOC AUC 0.66 (95% CI, 0.58-0.72) (P < .001). Independent validation in 519 patients’ urine exosome gene expression assay plus SOC AUC 0.73 (95% CI, 0.68-0.77) was superior to SOC AUC 0.63 (95% CI, 0.58-0.68) (P < .001). Using a predefined cut point, 138 of 519 (27%) biopsies would have been avoided, missing only 5% of patients with dominant pattern 4 high-risk GS7 disease. 

Conclusions and Relevance

 This urine exosome gene expression assay is a noninvasive, urinary 3-gene expression assay that discriminates high-grade (≥GS7) from low-grade (GS6) cancer and benign disease. In this study, the urine exosome gene expression assay was associated with improved identification of patients with higher-grade prostate cancer among men with elevated PSA levels and could reduce the total number of unnecessary biopsies.

Microvesicles (exosomes) shed from both normal and cancerous cells may serve as means of intercellular communication. These microvesicles carry proteins, lipids and nucleic acids derived from the host cell. Their isolation and analysis from blood samples have the potential to provide information about state and progression of malignancy and should prove of great clinical importance as biomarkers for a variety of disease states. However, current protocols for isolation of microvesicles from blood require high-speed centrifugation and filtration, which are cumbersome and time consuming. In order to take full advantage of the potential of microvesicles as biomarkers for clinical applications, faster and simpler methods of isolation will be needed. In this paper, we present an easy and rapid microfluidic immunoaffinity method to isolate microvesicles from small volumes of both serum from blood samples and conditioned medium from cells in culture. RNA of high quality can be extracted from these microvesicles providing a source of information about the genetic status of tumors to serve as biomarkers for diagnosis and prognosis of cancer.

A key step in angiogenesis is the upregulation of growth factor receptors on endothelial cells. Here, we demonstrate that a small regulatory microRNA, miR-296, has a major role in this process. Glioma cells and angiogenic growth factors elevate the level of miR-296 in primary human brain microvascular endothelial cells in culture. The miR-296 level is also elevated in primary tumor endothelial cells isolated from human brain tumors compared to normal brain endothelial cells. Growth factor-induced miR-296 contributes significantly to angiogenesis by directly targeting the hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HGS) mRNA, leading to decreased levels of HGS and thereby reducing HGS-mediated degradation of the growth factor receptors VEGFR2 and PDGFRβ. Furthermore, inhibition of miR-296 with antagomirs reduces angiogenesis in tumor xenografts in vivo.

Urinary exosomes or microvesicles are being studied intensively to identify potential new biomarkers for renal disease. We sought to identify whether these microvesicles contain nucleic acids. We isolated microvesicles from human urine in the same density range as that previously described for urinary exosomes and found them to have an RNA integrity profile similar to that of kidney tissue, including 18S and 28S rRNA. This profile was better preserved in urinary microvesicles compared with whole cells isolated from urine, suggesting that microvesicles may protect RNA during urine passage. We were able to detect mRNA in the human urinary microvesicles encoding proteins from all regions of the nephron and the collecting duct. Further, to provide a proof of principle, we found that microvesicles isolated from the urine of the V-ATPase B1 subunit knockout mice lacked mRNA of this subunit while containing a normal amount of the B2 subunit and aquaporin 2. The microvesicles were found to be contaminated with extraneous DNA potentially on their surface; therefore, we developed a rapid and reliable means to isolate nucleic acids from within urine microvesicles devoid of this extraneous contamination. Our study provides an experimental strategy for the routine isolation and use of urinary microvesicles as a novel and non-invasive source of nucleic acids to further renal disease biomarker discovery.

Abstract Diagnostic platforms providing biomarkers that are highly predictive for diagnosing, monitoring, and stratifying cancer patients are key instruments in the development of personalized medicine. We demonstrate that tumor cells transfer (mutant) RNA into blood platelets in vitro and in vivo, and show that blood platelets isolated from glioma and prostate cancer patients contain the cancer-associated RNA biomarkers EGFRvIII and PCA3, respectively. In addition, gene-expression profiling revealed a distinct RNA signature in platelets from glioma patients compared with normal control subjects. Because platelets are easily accessible and isolated, they may form an attractive platform for the companion diagnostics of cancer.