Экзосома (везикула) - Exosome (vesicle)

Не путать с комплексом экзосом .
Экзосома (внеклеточная везикула)
Экзосома с hsp70.png
Поперечное сечение экзосомы, показывающее белок hsp70
Идентификаторы
MeSH D055354
Анатомическая терминология

Экзосомы - это связанные с мембраной внеклеточные везикулы (EV), которые продуцируются в эндосомном компартменте большинства эукариотических клеток . Мультивезикулярное тело (MVB) является эндосома определяется внутрипросветными везикулами (ILVs) , что BUD внутрь в эндосомном просвет . Если MVB сливается с поверхностью клетки ( плазматической мембраной ), эти ILV высвобождаются в виде экзосом.

У многоклеточных организмов экзосомы и другие ЭВ были обнаружены в биологических жидкостях, включая кровь , мочу и спинномозговую жидкость . Важно отметить, что экзосомы были также идентифицированы в тканевом матриксе , получившем название Matrix-Bound Nanovesicles (MBV). Они также выпустили в пробирке на культуре клеток в их среде роста . Поскольку размер экзосом ограничен размером родительского MVB, обычно считается, что экзосомы меньше, чем большинство других EV, примерно от 30 до 150 нанометров (нм) в диаметре: примерно того же размера, что и многие липопротеины, но намного меньше, чем клетки. .

По сравнению с электромобилями в целом неясно, обладают ли экзосомы уникальными характеристиками или функциями, могут ли они эффективно отличаться от других электромобилей. EV, включая экзосомы, несут маркеры клеток происхождения и выполняют специализированные функции в физиологических процессах, от коагуляции и межклеточной передачи сигналов до управления отходами. Следовательно, растет интерес к клиническому применению ЭВ в качестве биомаркеров и методов лечения, что побудило к созданию Международного общества внеклеточных везикул (ISEV) и научного журнала, посвященного ЭВ, Journal of Extracellular Vesicles .

Фон

Экзосомы были впервые обнаружены в созревающих ретикулоцитах млекопитающих (незрелые красные кровяные тельца) Шталом и группой в 1983 г. и Джонстоном и группой в 1983 г. мембранные белки, поскольку ретикулоцит становится зрелым эритроцитом ( эритроцитом ). В ретикулоците, как и в большинстве клеток млекопитающих, части плазматической мембраны регулярно интернализуются как эндосомы, при этом от 50 до 180% плазматической мембраны повторно используется каждый час. В свою очередь, части мембран некоторых эндосом впоследствии интернализуются в виде более мелких пузырьков. Такие эндосомы называются мультивезикулярными телами из-за их внешнего вида с множеством мелких пузырьков (ILV или «внутрипросветные эндосомальные пузырьки») внутри большего тела. ILV становятся экзосомами, если MVB сливается с клеточной мембраной, высвобождая внутренние везикулы во внеклеточное пространство.

Экзосомы содержат различные молекулярные составляющие их клетки происхождения, включая белки и РНК. Хотя состав экзосомального белка варьируется в зависимости от клетки и ткани происхождения, большинство экзосом содержат эволюционно консервативный общий набор белковых молекул. Содержание белка в одной экзосоме, учитывая определенные предположения о размере и конфигурации белка, а также параметрах упаковки, может составлять около 20 000 молекул. Груз мРНК и миРНК в экзосомах был впервые обнаружен в Гетеборгском университете в Швеции.

Состав экзосом изменяется в зависимости от исходных клеток, и, таким образом, они отражают исходные клетки. Анализ динамических вариаций экзосом может предоставить ценные средства для мониторинга заболеваний. В этом исследовании были описаны различия в клеточной и экзосомной мРНК и содержании миРНК , а также функциональность груза экзосомальной мРНК . Также было показано, что экзосомы несут двухцепочечную ДНК.

Экзосомы могут переносить молекулы от одной клетки к другой через перенос мембранных везикул , тем самым влияя на иммунную систему , такую ​​как дендритные клетки и В-клетки , и могут играть функциональную роль в опосредовании адаптивных иммунных ответов на патогены и опухоли . Поэтому ученые, которые активно исследуют роль, которую экзосомы могут играть в передаче сигналов от клетки к клетке, часто предполагают, что доставка их молекул РНК-груза может объяснить биологические эффекты. Например, предполагается , что мРНК в экзосомах влияет на выработку белка в клетке-реципиенте. Однако другое исследование показало, что miRNA в экзосомах, секретируемых мезенхимальными стволовыми клетками (MSC), являются преимущественно пре-, а не зрелыми miRNA. Поскольку авторы этого исследования не обнаружили белков, ассоциированных с РНК-индуцированными комплексами сайленсинга, в этих экзосомах, они предположили, что только пре-миРНК, но не зрелые миРНК в экзосомах МСК, могут быть биологически активными в клетках-реципиентах. . Сообщалось, что в загрузке miRNAs в экзосомы участвуют множественные механизмы, включая специфические мотивы в последовательностях miRNA, взаимодействия с lncRNAs, локализованными в экзосомах, взаимодействия с RBP и посттрансляционные модификации Ago.

И наоборот, на продукцию и содержание экзосом могут влиять молекулярные сигналы, принимаемые исходной клеткой. Доказательством этой гипотезы является то, что опухолевые клетки, подвергшиеся воздействию гипоксии, секретируют экзосомы с повышенным ангиогенным и метастатическим потенциалом, что свидетельствует о том, что опухолевые клетки адаптируются к гипоксической микросреде, секретируя экзосомы, чтобы стимулировать ангиогенез или способствовать метастазированию в более благоприятную среду.

Терминология

Развивающийся консенсус в этой области заключается в том, что термин «экзосома» следует применять строго к ЭВ эндосомного происхождения. Поскольку может быть трудно доказать такое происхождение после того, как EV покинул клетку, вместо этого часто уместны варианты термина «внеклеточная везикула».

Исследовать

Экзосомы из красных кровяных телец содержат рецептор трансферрина, который отсутствует в зрелых эритроцитах. Экзосомы, происходящие из дендритных клеток, экспрессируют MHC I , MHC II и костимулирующие молекулы, и было доказано, что они способны индуцировать и усиливать антиген-специфические Т-клеточные ответы in vivo . Кроме того, первые платформы вакцинации против рака на основе экзосом изучаются в ходе ранних клинических испытаний . Экзосомы также могут выделяться в мочу почками, и их обнаружение может служить диагностическим инструментом. Экзосомы мочи могут быть полезны в качестве маркеров ответа на лечение при раке простаты. Экзосомы, секретируемые опухолевыми клетками, могут передавать сигналы окружающим клеткам и, как было показано, регулируют дифференцировку миофибробластов. При меланоме везикулы опухолевого происхождения могут проникать в лимфатические сосуды и взаимодействовать с макрофагами субкапсулярного синуса и В-клетками в лимфатических узлах. Недавнее исследование показало, что высвобождение экзосом положительно коррелирует с инвазивностью рака яичников . Экзосомы, высвобождаемые из опухолей в кровь, также могут иметь диагностический потенциал. Экзосомы необычайно стабильны в жидкостях организма, что делает их полезными в качестве резервуаров для биомаркеров болезней. Образцы крови пациентов, хранящиеся в биорепозиториях, можно использовать для анализа биомаркеров, поскольку экзосомы, полученные из клеток колоректального рака, добавленные в плазму крови, могут быть извлечены после 90 дней хранения при различных температурах.

При злокачественных новообразованиях, таких как рак, регуляторная цепь, которая охраняет гомеостаз экзосом, кооптирована, чтобы способствовать выживанию раковых клеток и метастазированию. При раке молочной железы нератиниб, новый ингибитор пан-ERBB, способен снижать количество HER2, выделяемого экзосомами, что потенциально снижает распространение опухоли.

Экзосомы мочи также оказались полезными при обнаружении многих патологий, таких как рак мочеполовой системы и минералокортикоидная гипертензия, через их белок и груз миРНК ».

При нейродегенеративных расстройствах экзосомы, по-видимому, играют роль в распространении альфа-синуклеина и активно исследуются как инструмент для мониторинга прогрессирования заболевания, а также как потенциальный носитель для доставки лекарств и терапии на основе стволовых клеток.

Онлайн-база данных с открытым доступом, содержащая геномную информацию о содержании экзосом, была разработана для стимулирования исследований в этой области.

Экзосомы и межклеточная коммуникация

Ученые активно исследуют роль, которую экзосомы могут играть в передаче сигналов от клетки к клетке, выдвигая гипотезу о том, что, поскольку экзосомы могут сливаться и высвобождать свое содержимое в клетки, удаленные от их исходной клетки (см. Перенос мембранных пузырьков ), они могут влиять на процессы в ячейке получателя. Например, РНК, которая перемещается из одной клетки в другую, известная как «экзосомальная челночная РНК», потенциально может влиять на выработку белка в клетке-реципиенте. Роль, которую играют экзосомы в межклеточной или межорганной коммуникации и регуляции метаболизма, была рассмотрена Самуэльсоном и Видал-Пуиг в 2018 году. Путем передачи молекул от одной клетки к другой экзосомы из определенных клеток иммунной системы , таких как дендритные клетки и B клетки, могут играть функциональную роль в обеспечении адаптивных иммунных ответов на патогены и опухоли. Экзосомный экспорт молекул miRNA также связан с остановкой уровней межклеточной miRNA и влияет на их функциональность, задерживая их на тяжелых полисомах.

И наоборот, на продукцию и содержание экзосом могут влиять молекулярные сигналы, принимаемые исходной клеткой. Доказательством этой гипотезы является то, что опухолевые клетки, подвергшиеся воздействию гипоксии, секретируют экзосомы с повышенным ангиогенным и метастатическим потенциалом, что свидетельствует о том, что опухолевые клетки адаптируются к гипоксической микросреде, секретируя экзосомы, чтобы стимулировать ангиогенез или способствовать метастазированию в более благоприятную среду. Недавно было показано, что содержание экзосомального белка может изменяться во время прогрессирования хронического лимфолейкоза.

Исследование выдвинуло гипотезу, что межклеточная связь экзосом опухоли может опосредовать дальнейшие области метастазирования рака. Гипотетически экзосомы могут внедрять информацию об опухоли, такую ​​как испорченная РНК, в новые клетки, чтобы подготовиться к тому, что рак переместится в этот орган для метастазирования. Исследование показало, что экзосомальная коммуникация опухоли может опосредовать метастазирование в разные органы. Более того, даже когда опухолевые клетки не могут реплицироваться, информация, передаваемая в эти новые области, органы, может способствовать распространению метастазов, специфичных для органов.

Экзосомы несут груз, который может усилить врожденный иммунный ответ. Например, экзосомы, полученные из макрофагов, инфицированных Salmonella enterica, но не экзосомы из неинфицированных клеток, стимулируют наивные макрофаги и дендритные клетки к секреции провоспалительных цитокинов, таких как TNF-α, RANTES, IL-1ra, MIP-2, CXCL1, MCP-1. , sICAM-1, GM-CSF и G-CSF. Провоспалительные эффекты экзосом частично приписываются липополисахариду, который инкапсулирован внутри экзосом.

Экзосомы также обеспечивают перекрестную связь между эмбрионом и материнским компартментом во время имплантации. Они помогают обмениваться повсеместно распространенным белком, гликопротеинами, ДНК и мРНК.

Биогенез, секреция и поглощение экзосом

Биогенез экзосом

Экзосомы - это внеклеточные везикулы, имеющие уникальный путь биогенеза через мультивезикулярные тельца.

Формирование экзосом начинается с инвагинации мультивезикулярных телец (MVB) или поздних эндосом с образованием внутрипросветных пузырьков (ILV). Существуют различные предложенные механизмы для образования MVBs, почкования пузырьков и сортировки. Наиболее изученным и известным является эндосомный сортировочный комплекс, необходимый для транспортного (ESCRT) пути. Аппарат ESCRT опосредует убиквитинированный путь, состоящий из белковых комплексов; ESCRT-0, -I, -II, -III и ассоциированная АТФаза Vps4. ESCRT 0 распознает и удерживает убиквитинированные белки, маркированные для упаковки в мембране поздней эндосомы. ESCRT I / II распознает ESCRT 0 и начинает создавать инволюцию мембраны в MVB. ESCRTIII образует спиралевидную структуру, сужающую шею. Белок АТФаза VPS4 управляет разрывом мембраны. Синдекан-синтенин-ALIX путь биогенеза экзосом является одним из ESCRT-независимых или неканонических путей биогенеза экзосом.

Секреция экзосом

После образования MVB попадают на внутреннюю сторону плазматической мембраны. Эти MVB транспортируются к плазматической мембране, что приводит к слиянию. Многие исследования показали, что MVB с более высоким содержанием холестерина сливаются с плазматической мембраной, высвобождая экзосомы. Белки Rab, особенно Rab 7, присоединенные к MVB, распознают его эффекторный рецептор. Комплекс SNARE (растворимый N-этилмалеимид-чувствительный слитый рецептор белка прикрепления) из MVB и плазматической мембраны взаимодействует и опосредует слияние.

Поглощение экзосом

Специфическое нацеливание экзосом - активная область исследований. Точные механизмы нацеливания на экзосомы ограничены несколькими общими механизмами, такими как стыковка экзосом со специфическими белками, сахарами и липидами или микропиноцитоз. Интернализованные экзосомы нацелены на эндосомы, которые высвобождают свое содержимое в клетке-реципиенте.

Сортировка и упаковка грузов в экзосомы

Экзосомы содержат разные грузы; белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Эти грузы специально сортируются и упаковываются в экзосомы. Содержимое, упакованное в экзосомы, зависит от типа клеток и также зависит от клеточных условий. Экзосомные микроРНК (exomiR) и белки сортируются и упаковываются в экзосомы. Вильярроя-Бельтри и его коллеги идентифицировали консервативный GGAG-специфический мотив, EXOmotif, в miRNA, упакованный в экзосомы, который отсутствовал в цитозольной miRNA (CLmiRNA), которая связывается с сумоилированным гетерогенным ядерным рибопротеином (hnRNP) A2B1 для упаковки miRNA, специфичной для экзосом. упакованы в ESCRT, тертраспанины, липид-зависимые механизмы. Экзосомы обогащены холестерином, сфингомиелином, насыщенным фосфатидилхолином и фосфатидилэтаноламином по сравнению с плазматической мембраной клетки.

Изоляция

Выделение и обнаружение экзосом оказалось сложным. Из-за сложности жидкостей организма физическое отделение экзосом от клеток и частиц аналогичного размера является сложной задачей. Выделение экзосом с помощью дифференциального ультрацентрифугирования приводит к совместной изоляции белка и других загрязняющих веществ и неполному отделению везикул от липопротеинов. Сочетание ультрацентрифугирования с микрофильтрацией или градиентом может улучшить чистоту. Одностадийное выделение внеклеточных везикул с помощью эксклюзионной хроматографии продемонстрировало большую эффективность восстановления неповрежденных везикул по сравнению с центрифугированием, хотя метод, основанный только на размере, не сможет отличить экзосомы от других типов везикул. Для выделения чистой популяции экзосом необходима комбинация методов, основанная как на физических (например, размер, плотность), так и на биохимических параметрах (например, наличии / отсутствии определенных белков, участвующих в их биогенезе). Использование эталонных материалов, таких как отслеживаемый рекомбинантный EV, поможет уменьшить технические отклонения, вносимые во время подготовки и анализа образцов. Новая методология селективного выделения использует комбинацию иммуноаффинной хроматографии и фракционирования с асимметричным потоком в поле-потоке для уменьшения загрязнения липопротеинами и другими белками при выделении из плазмы крови.

Часто функциональные, а также антигенные анализы применяются для получения полезной информации из нескольких экзосом. Хорошо известными примерами анализов для обнаружения белков в общей популяции экзосом являются масс-спектрометрия и вестерн-блоттинг . Однако ограничение этих методов состоит в том, что могут присутствовать загрязнители, влияющие на информацию, полученную в результате таких анализов. Предпочтительно информация получена из отдельных экзосом. Соответствующие свойства экзосом для обнаружения включают размер, плотность, морфологию, состав и дзета-потенциал .

Обнаружение

Поскольку диаметр экзосом обычно меньше 100 нм и поскольку они имеют низкий показатель преломления , экзосомы находятся ниже диапазона обнаружения многих используемых в настоящее время методов. Для ускорения анализа экзосом был разработан ряд миниатюрных систем с использованием нанотехнологий и микрофлюидики. Эти новые системы включают устройство микроЯМР, наноплазмонный чип и магнито-электрохимический датчик для профилирования белков; и интегрированный жидкостный картридж для обнаружения РНК. Проточная цитометрия - это оптический метод обнаружения экзосом в суспензии. Тем не менее, применимость проточной цитометрии для обнаружения одиночных экзосом все еще недостаточна из-за ограниченной чувствительности и потенциальных артефактов измерения, таких как обнаружение роя. Другими методами обнаружения отдельных экзосом являются атомно-силовая микроскопия , анализ отслеживания наночастиц , рамановская микроскопия , регулируемое резистивное импульсное зондирование и просвечивающая электронная микроскопия .

Биоинформатический анализ

Экзосомы содержат РНК, белки, липиды и метаболиты, которые отражают клеточный тип происхождения. Поскольку экзосомы содержат множество белков, РНК и липидов, часто выполняется крупномасштабный анализ, включая протеомику и транскриптомику . В настоящее время для анализа этих данных можно использовать некоммерческие инструменты, такие как FunRich, для выявления чрезмерно представленных групп молекул. С появлением технологий секвенирования нового поколения исследования экзосом ускорились не только при раке, но и при различных заболеваниях. Недавно основанный на биоинформатике анализ данных РНК-Seq экзосом, извлеченных из Trypanosoma cruzi , показал связь этих внеклеточных везикул с различными важными генными продуктами, что увеличивает вероятность обнаружения биомаркеров болезни Шагаса .

Терапевтические средства и носители лекарств

Все чаще экзосомы признаются в качестве потенциальных терапевтических средств, поскольку они обладают способностью вызывать сильные клеточные ответы in vitro и in vivo . Экзосомы опосредуют регенеративные результаты при травмах и заболеваниях, которые повторяют наблюдаемую биоактивность популяций стволовых клеток . Мезенхимальный стволовые клетки были обнаружены экзосомы , чтобы активировать несколько сигнальных путей , важных в ранах заживлении ( Akt , ERK и STAT3 ), восстановление перелома кости и участвует в регуляции иммунных опосредованных реакций и воспалительных заболеваний. Они индуцируют экспрессию ряда факторов роста ( фактора роста гепатоцитов (HGF), инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF1), фактора роста нервов (NGF) и фактора роста стромального происхождения-1 (SDF1)). Экзосомы, секретируемые циркулирующими фиброцитами человека, популяция мезенхимальных предшественников, участвующих в нормальном заживлении ран посредством паракринной передачи сигналов , проявляли in vitro проангиогенные свойства, активировали диабетические дермальные фибробласты, индуцировали миграцию и пролиферацию диабетических кератиноцитов и ускоряли закрытие ран у диабетических мышей. естественным образом. Важными компонентами экзосомального груза были белок теплового шока-90α , общий и активированный преобразователь сигналов и активатор транскрипции 3, проангиогенные (miR-126, miR-130a, miR-132) и противовоспалительные (miR124a, miR-125b) микроРНК. и микроРНК, регулирующая отложение коллагена (miR-21). Исследователи также обнаружили, что экзосомы, высвобождаемые из кератиноцитов полости рта, могут ускорять заживление ран, даже когда человеческие экзосомы наносили на раны крыс. Экзосомы можно считать многообещающим носителем для эффективной доставки малых интерферирующих РНК из-за их присутствия в эндогенной системе организма и высокой толерантности. Экзосомы, полученные от пациентов, использовались в качестве новой иммунотерапии рака в нескольких клинических испытаниях.

Экзосомы обладают явными преимуществами, которые однозначно позиционируют их как высокоэффективные носители лекарств. Состоящие из клеточных мембран с множеством адгезивных белков на их поверхности, экзосомы, как известно, специализируются на межклеточной коммуникации и обеспечивают эксклюзивный подход для доставки различных терапевтических агентов к клеткам-мишеням. Например, исследователи использовали экзосомы в качестве средства доставки противоракового препарата паклитаксела . Они поместили лекарство в экзосомы, полученные из лейкоцитов, которые затем вводили мышам с лекарственно-устойчивым раком легких. Важно отметить, что включение паклитаксела в экзосомы увеличивало цитотоксичность более чем в 50 раз в результате почти полной совместной локализации экзосом, доставляемых в дыхательные пути, с клетками рака легких.

Несанкционированный маркетинг

Различные формы недоказанных экзосом продаются в США для широкого спектра заболеваний клиническими фирмами без разрешения FDA. Часто эти фирмы также продают инъекции стволовых клеток, не одобренные FDA. В конце 2019 года FDA выпустило консультативное предупреждение о несоответствующем маркетинге экзосом и травмах пациентов в Небраске, связанных с инъекциями экзосом. Агентство также указало, что экзосомы официально являются лекарственными препаратами, требующими предпродажного утверждения. В 2020 году FDA предупредило несколько фирм о маркетинге или использовании экзосом для лечения COVID-19 и других заболеваний.

Смотрите также

использованная литература