Экзосомы это крошечные внеклеточные везикулы (пузырьки) (30—100 нм в диаметре), которые выделяют клетки различных тканей или органов в окружающую их среду.^[1][2][3] Экзосомы были обнаружены в различных жидкостях организма, таких как моча^[4], сыворотка крови,^[5] спинномозговая жидкость, слюна, грудное молоко.^[6] Они образуются из эндосомальных мультивезикулярных телец в результате их слияния с поверхностной мембраной клетки.^[7][8] Руководит этим процессом небольшая ГТФаза Rab11.^[9]

Открытые в середине 1980-х годов, при исследовании дифференцировки ретикулоцитов в эритроциты, они первоначально рассматривались как «резервуары» для удаления избытка клеточной цитоплазмы путем почкования. В конце 1990-х оказалось, что они обладают способностью регулировать иммунные реакции организма, что свидетельствовало о их значимости для межклеточного общения.^[10] Когда же в 2007 году в них были обнаружены микроРНК и матричная РНК, которые могут переноситься в клетки-мишени, интерес к ним резко возрос.^{[11][12][13][14][15][16]}

В настоящее время считается, что экзосомы, играют важную роль в осуществлении межклеточных коммуникаций,^[17] неклассической секреции белков, иммуномодуляции, биологии патогенов — возбудителей заболеваний, в патогенезе болезней связанных с расстройствами метаболизма^[18] и прогрессировании рака.^[19][20][21] Кроме того с их помощью в организме, по видимому, осуществляется координация процессов клеточного старения^[22]

С помощью экзосом может осуществляться передача микроРНК между клетками — один из ключевых путей взаимодействия между стволовыми клетками и их микроокружением — так называемой нишей.^[23][22][24] РНК, которые с помощью экзосом курсируют от одной клетки к другой, были названы челночными РНК или в английской транскрипции шаттл РНК (exosomal shuttle RNA — esRNA)^{[25] [26]}

Состав экзосом

Исследования состава экзосом показали, что все они содержат белки, липиды и РНК.^[27][28] Имеют мембрану, состоящую из двойного слоя липидов, и цитоплазму.

Белки

Состав белков экзосомы во многом отражает их происхождение из эндосом и несколько различается в зависимости от типа клеток из которого они происходят.^[29][30]

Все экзосомы имеют во многом одинаковый состав белков^[31][32] в число которых входят белки — маркеры экзосом^[33] это:

• белки CD81(CD это на англ. сокращенно кластер дифференцировки) и CD9, которые являются членами высоко консервативного семейства тетраспанинов (tetraspanins), необходимых для связывания и переноса микро-РНК; выбора клетки мишени и поглощения ею экзосомы .^[34]
• Аликс (apoptosis-linked gene 2-interacting protein — Alix)^[35]
• Белок TSG101, кодируемый геном чувствительности опухолей 101 (tumour susceptibility gene 101) компонент ESCRT-I (эндосомного белкового комплекса сортировки необходимого для транспортировки, а также биогенеза экзосом).^[36]

Помимо этого экзосомы содержат: различные ферменты (30-35 %), в частности семейство ГТФаз Rab, которые способствуют стыковке и слиянию мембран^[37][38][39], и кроме того, метаболические ферменты, такие как пероксидазы, пируваткиназы, липидные киназы и энолаза-1.^[40]; белки цитоскелета (15-18 %), такие как актин и тубулин; тетраспанины (9-15 %), главным образом CD81, CD63 и CD9; белки мембранного транспорта (7-9 %), белки теплового шока HSP60, HSP70, HSP90 (7-9 %); белки главного комплекса гистосовместимости а также аннексины (которые, являясь Ca 2+ — регулируемыми фосфолипид-связывающими белками мембраны, регулируют изменения мембранного цитоскелета и механизмы слияния мембран); и т. д.^[33][41] Помимо этого экзосомы могут нести на своей поверхности различные сигнальные белки, в частности белки Wnt, чтобы вызвать Wnt сигнальную активность в клетках-мишенях.^[42][43]

Подробнее состав белков экзосомы (1160 белков) с описанием их функций доступен на (http://dir.nhlbi.nih.gov/papers/lkem/exosome).

Липиды

Экзосомы содержат большое количество липидов: церамиды, сфингомиелин, фосфатидилсерин, фосфатидидилэтаноламин, лизо-фосфатидилхолин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол, холестерол и некоторые другие липиды.^[27] Причем липиды в экзосоме это не просто инертный материал, они воздействуют на биологическую активность этих пузырьков. Так, например, при биогенезе экзосом внутри мультивезикулярных телец, они участвуют в организации их мембранной структуры.^[44][45] Для межклеточного переноса микроРНК требуются липиды-носители образование которых регулируется церамидным путем,^[46] поэтому заблокировать перенос микроРНК экзосомами можно с помощью ингибитора нейтральной сфингомиелиназы — GW4869 или ингибитора кислой сфингомиелиназы — дезипрамина.

Нуклеиновые кислоты

По сравнению с уровнем наблюдаемым в донорских клетках, экзосомы содержат значительное количество малых РНК, однако в них мало или совсем нет рибосомальной РНК^[47] Очевидно существует механизм избирательной упаковки микроРНК в экзосомы. Об этом свидетельствует тот факт, что набор микроРНК в экзосоме не отражает содержания микроРНК в родительских клетках. Механизм селективной упаковки РНК в экзосомы пока не известен. По сравнению с клеточными РНК, РНК экзосом более стабильны^[48] и устойчивы к деградации при длительном хранении и повторных циклах замораживания / оттаивания^[49]

МикроРНК передаваемые экзосомой функциональны и могут изменять экспрессию генов в клетках получателях ^[50]

Экзосомы помимо РНК содержат еще и мобильную ДНК. Ферменты ДНКазы I и II, присутствующие во внеклеточной жидкости (в том числе плазме крови) эффективно разрушают ДНК. Поэтому, передача генетической информации от одной клетки к другой должна быть защищена от ДНКаз. Именно в этом, очевидно, состоит функция экзосом^[51][52]

Экзосомы как средство диагностики различных заболеваний

Биомаркеры экзосом могут быть использованы для диагностики различных заболеваний и определения стадии или факта прогрессирования заболевания, определения схемы и эффективности его лечения.^[11][56][57]

Диагностика по экзосомам в ближайшее время, по всей видимости, станет доступна даже небольшим медицинским лабораториям, оснащенным обычной недорогой лабораторной микроцентрифугой. Этому способствует разработка очень простой, не требующей ультрацентрифугирования, методики получения экзосом иммунопреципитацией с помощью моноклональных антител к поверхностным белкам экзосомы коммерческого набора Exo QuickTM.^[58] Имея всего 0,1 – 0,5 мл сыворотки крови или какой-либо иной биологической жидкости можно получить достаточно РНК^[59] или белка, чтобы провести экспресс диагностику.^[60]

Разработан высокочувствительный аналитический прибор и метод для быстрого изучения циркулирующих микровезикул непосредственно в образцах крови пациентов. Для анализа кровь пропускают через микрожидкостной чип, в котором микровезикулы метят с помощью моноклональных антител связанных с магнитными наночастицами, а затем выявляют с помощью миниатюрной детекторной системы использующей ядерный магнитный резонанс.^[61]

Экзосомы как средство доставки при терапии белками и РНК

Экзосомы выделяемые клетками по всей видимости играют важную, но пока недооцененную роль в восстановлении морфологии и функций поврежденных органов. Все больше данных свидетельствует о том, что внеклеточные везикулы секретируемые из гемопоэтических стволовых клеток-предшественников (HSPCs), мультипотентных клеток стромы (MSC), или сердечных стволовых клеток (CSC), способны:

• защитить клетки оставшиеся в поврежденных тканях от апоптоза,
• стимулировать пролиферацию клеток, которые выжили после повреждения органов и
• стимулировать васкуляризацию пораженных тканей.

Эти их свойства связывают с тем, что:

1. их мембраны обогащены биологически активными липидами такими как например, сфингозин-1-фосфат (S1P);
2. на поверхности этих везикул идет синтез антиапоптозных и стимуляторных ростовых факторов и цитокинов, таких как фактор роста сосудов эндотелия (VEGF), фактор стволовых клеток (SCF), или фактор-1 стромы (SDF-1);
3. они, благодаря способности к целенаправленному тропизму могут доставлять в поврежденные ткани: мРНК, регуляторные микроРНК^[62] и ферментные белки, необходимые для повышения регенерационных способностей клетки.

Например, внутривенная инъекция экзосом, ориентированных на поиск кардиомиоцитов и содержащих siРНК необходимую для нокдауна гена Meis1 являющегося ключевым регулятором пролиферации кардиомиоцитов^[63][64] возможно сможет помочь регенерации сердца после инфаркта.

В последнее время экзосомы рассматриваются в качестве возможной альтернативы липосомам в качестве средства доставки лекарств.^[65] Как и липосомы, они предохраняют свое содержимое от разрушения и могут переносить его через плазматическую мембрану. Кроме того, эти, самой природой предназначенные для межклеточного обмена, мембранные везикулы менее токсичны и лучше переносятся организмом, о чем свидетельствует их присутствие в биологических жидкостях. Обладая способностью избирательно находить клетки-мишени и проникать в них они значительно повышают эффективность переноса лекарственных препаратов,^[66] белков и РНК в целях терапии.^{[67][68][12][69]} и иммунотерапии^[70][71]

Для массового производства экзосом предполагается использовать культуры человеческих мезенхимальных стволовых клеток (МСК), которые обладают способностью к пролиферации и иммуносупрессивной активностью.^{[72][67][68][69][73]}

Экзосомы полученные из незрелых дендритных клеток могут оказаться основой субклеточных вакцин для лечения аутоиммунных заболеваний.^[74]

Существенным препятствием на пути внедрения в клинику методов терапии аллогенными (взятыми от другого человека) экзосомами, является наличие в них белков главного комплекса гистосовместимости, которые создают потенциальную угрозу иммунного ответа (несмотря на иммуносупрессивную активность мезенхимальных клеток). Поэтому ключевым фактором для потенциального клинического применения терапии экзосомами является тщательный подбор донорских клеток для производства экзосом, а также получение культур аутологичных (собственных) мезенхимальных стволовых клеток пациента из индуцированных стволовых клеток.

В будущем возможно удастся создать методами генной инженерии мезенхимальные клетки в которых синтез белков главного комплекса гистосовместимости подавлен. «Универсальные экзосомы» из таких клеток могли бы стать панацеей от многих болезней.

Примечания