Экзосомы что это такое
Экзосомы: научная альтернатива сказочным молодильным яблокам
Визуализация секреции экзосом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Над «эликсиром красоты и молодости» трудились все: от древних греков до алхимиков, от ведуний до врачей современности. И пусть все еще не существует «эликсира молодости» или «таблетки от старости» — на сегодняшний день уже есть ряд открытий и исследований, позволяющих обновить клетки различных тканей. В данном обзоре внимание будет сконцентрировано на коже и механизмах ее искусственной регенерации.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа заняла второе место в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Партнеры номинации — медико-биологическая школа «Вита» и «Новая школа».
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Кожа молодая и старая
Для начала разберемся, как устроена кожа. Верхний слой — эпидермис — защищает ее от механических повреждений. Под ним расположена дерма, или собственно кожа. В ней залегают протоки желез, нервные окончания, волосяные луковицы, мышечные волокна.
Наконец, «фундаментом» кожи является внеклеточный матрикс (ВКМ). Его основные элементы: гиалуроновая кислота, эластические и коллагеновые волокна — поддерживают структуру кожи, обеспечивая ей здоровый и подтянутый вид. Кроме того, в матриксе содержатся фибробласты — специальные клетки, которые отвечают за его регенерацию — и металлопротеиназы — ферменты, разрушающие вышедшие из строя элементы матрикса. Больше узнать о ВКМ можно в статье «Что такое внеклеточный матрикс и почему его все изучают» [1].
Чем же старая кожа отличается от молодой? Один из самых очевидных признаков — морщины. Они появляются как раз из-за изменений в матриксе: старые коллагеновые волокна начинают разрушаться металлопротеиназами быстрее, чем фибробласты синтезируют новые.
Причина такого сбоя в том, что с возрастом изменяется количество и активность фибробластов. Из-за этого они синтезируют новые волокна коллагена медленнее и в меньших количествах. В то же время увеличивается количество фермента металлопротеиназы, разрушающей уже существующие волокна. В итоге кожа становится морщинистой и дряблой, а ресурсов на восстановление у нее все меньше и меньше. Доказано, что возрастные снижения активности деления и коллагенового синтеза фибробластов связаны с понижением факторов (особых белков-активаторов), связанных с их ростом и развитием, например, с PDGF (связывается с рецепторами фибробластов и повышает их способность к делению) и TGF-beta (участвует в матричном биосинтезе фибробластов).
Поврежденная кожа
Однако на активность фибробластов, целостность коллагеновых нитей и количество металопротеиназы влияет не только возраст. Кожа может сильно повреждаться в результате механического воздействия и внешних факторов, таких как грязный воздух, курение, несбалансированное питание или УФ-излучение. Для последнего даже введен термин «фотостарение», означающий ухудшение состояния кожи в результате избытка попадающего на нее ультрафиолета [2], [3]. Признаками фотостарения является гиперпигментация, сухость, грубость и тусклый цвет кожи. Более того, результатом фотостарения может стать рак кожи.
Однако полная регенерация практически невозможна, и в результате на месте повреждения остается шрам.
Относительно недавно перед учеными открылся новый способ омоложения кожи и улучшения ее качества. Он основан на терапевтических свойствах экзосом, секретируемых стволовыми клетками: мезенхимальными стромальными клетками в случае механических повреждений кожи и человеческими индуцированными плюрипотентными клетками — в случае проведения клеточного омоложения. Стоит признаться, что на данном этапе этот способ является далеко не самым эффективным и требует множества дополнительных исследований, однако его потенциал неоспорим.
Экзосомы: что это такое?
Экзосомы — «бутылочная почта» организма. Это мелкие мембранные пузырьки, которые выделяются в межклеточное пространство клетками самых разных тканей и органов и с кровью разносятся по организму. Внутри пузырьков находится «коктейль» из белков, ДНК, разных видов РНК и липидов [5]. Компоненты этого коктейля могут участвовать в межклеточной коммуникации, иммунном ответе и многих других процессах. В статьях «Биомолекулы» «Нобелевская премия по физиологии и медицине (2013): везикулярный транспорт» и «Экзосома — механизм координации и взаимопомощи клеток организма» вы можете узнать больше об экзосомах и их роли в межклеточной коммуникации [6], [7].
Из всего коктейля наибольший интерес представляют микроРНК, так как, видимо, именно ими обусловлен терапевтический эффект экзосом.
Как уже было сказано, экзосомы, использующиеся для терапии кожи, выделяются из мезенхимальных стромальных клеток и человеческих индуцированных плюрипотентных клеток. Рассмотрим свойства обоих типов клеток и их экзосом.
Мезенхимальные стромальные клетки и их экзосомы в лечении кожи
Мезенхимальные стромальные клетки (МСК) — это стволовые клетки, которые находятся в соединительной ткани. Из них получаются остеобласты, хондроциты и адипоциты.
Кроме того, эти клетки обладают мощным потенциалом для восстановления кожи. Доказано, что MСК оказывают положительный эффект на раны и шрамы: после терапии следы от повреждений почти пропадают, а раны заживают в разы быстрее [8].
В силу своей способности к неограниченному делению (как и другие стволовые клетки), мезенхимальные клетки стали привлекательным вариантом для использования в регенеративной медицине. На сегодня эти клетки — важный компонент клеточной терапии, направленной на ускорение и оптимизацию лечения повреждений кожи. Стоит отметить, что в ранних исследованиях изучали мезенхимальные стромальные клетки костного мозга (МСКкм). Однако костный мозг — ограниченный ресурс, да и процедура по получению из него клеток очень болезненна. Поэтому в последнее время идет активный поиск альтернативных «депо» для извлечения МСК. Таковыми являются жировая ткань, эпидермальная ткань, амниотическая жидкость (рис. 1) [9]. Интересно, что биологический эффект МСК зависит не от места, откуда вы их взяли, а от микросреды, в которую поместили. Например, когда МСК попадают на место свежего повреждения, они работают на ускорение реэпителизации, а в месте, где реэпителизация уже прошла, — подавляют процесс образования шрама [8].
Рисунок 1. Применение МСК, выделенных из жировой ткани, в решении различных проблем, связанных с кожей.
Более продвинутой является терапия не самими МСК, а их экзосомами. Эффект от лечения такой же, как и при клеточной терапии; при этом у экзосом есть ряд преимуществ: они легко выделяются из клетки, не требуют особых условий хранения и транспортировки и могут быть применены в удобное для пациента время. При этом они обладают большой терапевтической эффективностью без риска образования опухолей или отторжения в результате иммунного ответа организма [10].
Недавние исследования открывают нам еще одно преимущество экзосом перед МСК: оказывается, экзосомы могут менять свой «коктейль» в зависимости от микросреды клетки, которая их продуцирует (рис. 2) [11]. В будущем это позволит ученым «подстраивать» экзосомы под конкретные задачи, например, для регенерации фибробластов или для высокоэффективного заживления раны.
Молекулярный механизм, обуславливающий терапевтический эффект мезенхимальных экзосом, требует более детального изучения, так как на данный момент большинство экспериментов проводились на животных.
Рисунок 2. Как изменения микросреды влияют на состав продуктов секреции МСК-экзосом.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) были открыты в 2006 году японским ученым Синъя Яманака. В 2012 году совместно с Джоном Гердоном он получил за эту разработку Нобелевскую премию.
Наша жизнь начинается, когда оплодотворенная яйцеклетка делится и образует дочерние клетки, которые, в свою очередь, продолжат делиться. Вначале все клетки полностью идентичны, но в процессе развития они превращаются в клетки различных тканей. Яманака предположил, что есть какие-то специальные гены, отвечающие за то, будет ли клетка стволовой или дифференцируется в специализированную клетку. В ходе экспериментов на мышах ученый действительно обнаружил четыре гена — Oct3/4, Sox2, Klf4 и cMyc — которые отвечают за индуцирование плюрипотентности в мышиных зародышевых и взрослых фибробластах. В активированном состоянии эти гены способны перепрограммировать клетки кожи мыши обратно в стволовые клетки, которые, в свою очередь, могут превратиться в любой тип клеток тела [12].
Плюрипотентные стволовые клетки неограниченно делятся и дифференцируются в клетки всех трех зародышевых листков. Эти две особенности делают ПСК привлекательным ресурсом для клеточной терапии различных болезней и травм. Человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (чиПСК) были получены в 2007. С тех пор множество лабораторий провели клинические эксперименты на добровольцах, а некоторые из них даже внедрили методы клеточной терапии с использованием чиПСК в свою практику.
В дерматологии этот метод был применен недавно, однако уже сегодня есть результаты исследований, указывающие на то, что чиПСК, а точнее — их экзосомы — замедляют старение кожи и возобновляют процессы ее регенерации. Однако при работе с иПСК возникает ряд сложностей: например, они все же слегка отличаются от эмбриональных стволовых клеток, а также довольно часто оказываются онкогенными [12]. Подробнее об этом читайте в статье «Снежный ком проблем с плюрипотентностью» [13]. Экзосомы иПСК более «дружелюбны» по отношению к нашему организму и имеют меньше побочных эффектов, не уступая в количестве положительных.
Что могут экзосомы плюрипотентных стволовых клеток
Во-первых, экзосомы иПСК ускоряют пролиферацию фибробластов (рис. 3). Интересно, что «передозировка» экзосомами практически невозможна: если доза слишком велика, то «лишние» экзосомы просто не проявляют никакой активности [14].
Рисунок 3. Влияние иПСК-экзосом на пролиферацию фибробластов у человека в течение 48 часов.
Кроме пролиферации, экзосомы иПСК повышают клеточную миграцию фибробластов, из-за чего восстановление кожи после механического повреждения идет быстрее. Для исследования эффекта иПСК-экзосом на миграцию фибробластов ученые наблюдали за изменением количества фибробластов на свежеповрежденном участке кожи. В результате стало ясно, что количественные показатели фибробластов, обработанных иПСК-экзосомами, куда выше, чем у контрольной группы (рис. 4).
Рисунок 4. Сравнение активности миграции фибробластов в контрольной группе и фибробластов, предварительно обработанных иПСК-экзосомами.
В начале статьи упоминалось пагубное влияние УФ-излучения на кожу: от его воздействия разрушаются нити коллагена, повреждаются фибробласты и увеличивается количество металлопротеиназ. Оказывается, иПСК-экзосомы могут помочь и здесь: они восстанавливают поврежденные фибробласты и повышают их жизнеспособность более чем на 20% (рис. 5)! Таким образом, через уменьшение негативного влияния ультрафиолета на фибробласты кожи, иПСК-экзосомы косвенно влияют на процессы регенерации и пролиферации кожи в целом [14].
Рисунок 5. Влияние иПСК-экзосом на клетки кожи, поврежденные в результате воздействия УФ-лучей.
Недостатки методов клеточной терапии кожи с участием стволовых клеток
Какими бы многообещающими ни были эксперименты со стволовыми клетками, их использование для терапии в последнее время теряет популярность. Основными причинами являются иммунный ответ организма в ответ на введение стволовых клеток донора и их последующее отторжение и онкогенность стволовых клеток в целом, а особенно иПСК. Это обусловлено репрограммирующими факторами (Oct3/4, Sox2, Klf4, и cMyc), которые связаны с онкогенезом, и генетическими мутациями, которые случаются при быстром делении стволовых клеток [12].
Поэтому ученые постепенно переходят от использования стволовых клеток в клеточной терапии к использованию исключительно самих экзосом, синтезируемых этими клетками. У экзосом куда меньшая онкогенность, они не вызывают иммунного ответа, а их регенеративный потенциал едва ли не выше, чем у стволовых клеток.
Экзосомная терапия: основные выводы и перспективы
На основе приведенных в обзоре экспериментов можно сделать вывод, что трансплантация МСК и иПСК в место повреждения кожи способна значительно снизить время регенерации пораженного участка, а также улучшить состояние рубцов и шрамов. Кроме того, экзосомы стволовых клеток, в частности иПСК-экзосомы, способны предотвращать внешнее старение кожи, вызванное УФ-излучением. При этом стоит учитывать ограничения в использовании стволовых клеток в силу их потенциальной онкогенности и вероятности отторжения донорских клеток в результате иммунного ответа. Решением данной проблемы может стать более безопасная экзосомная терапия.
Очевидно, что тема применения стволовых клеток различного происхождения и экзосом, секретируемых ими, довольно недавно открылась ученым и требует дополнительных исследований и клинических экспериментов, в том числе экспериментов на людях, чтобы точно выяснить механизмы работы экзосом и их поведение в тканях человека, а также изучить возможные подводные камни такого подхода и способы их преодоления. Однако уже на сегодняшний день можно утверждать, что экзосомная терапия — новый шаг как в лечении дерматитов различного происхождения, так и в сфере эстетической медицины в качестве омолаживающих процедур.
Экзосомы: крошечные переносчики веществ в нашем теле
Ученые исследуют микроскопические мембранные пузырьки, называемые внеклеточными везикулами. Стало известно, что они передают сигналы между клетками и играют важную роль во многих областях биологии, а еще их можно использовать в лечении.
Представьте почту в нашем организме. Клетки упаковывают питательные вещества в маленькие «конвертики» из мембран. Затем эти «конверты» поступают в кровоток (в каждом миллилитре крови таких миллиарды) и доставляют важный груз, такой как генетический материал и белки, к нужным клеткам.
Маленькие пузырьки, известные как внеклеточные везикулы или экзосомы, передают сигналы клеткам. Под влиянием этих сигналов клетка может менять свои биологические свойства, например, сигналинг потенциально может влиять на процесс обучения, длительность родов, а также определять, где, как и когда проявят себя онкологические заболевания.
Впервые ученые обнаружили экзосомы в 1940-х годах, затем, после более детального исследования в 1980-х годах, возникла теория, что они являются резервуаром клеточных отходов. Пару десятилетий спустя группа исследователей из разных научных областей обнаружила, что опухолевые клетки посылают экзосомы в отдаленные ткани, закладывая основу для метастазирования. Сегодня уже известно, что сигналы, которые доставляют экзосомы, важны для здорового организма, но также играют роль в развитии болезней. Клетки животных и растений, простейших, грибов и даже бактерий выделяют экзосомы, отправляя свои сигналы другим органам или другим существам, с которыми они взаимодействуют.
Рисунок 1. Экзосомы в движении | У экзосом есть мембраны, усеянные различными наборами белков, жиров и других частиц (в центре). Их размер варьируется от 30 до 100 нанометров, и они разносятся по организму при помощи различных биологических жидкостей.
Экзосомы — гетерогенная группа, ученые до сих пор находят различные их типы и решают вопрос об их классификации. Разные типы формируются из разных частей клетки. Они различаются по размеру (от 20 до 1000 нанометров или примерно до одной тысячной миллиметра). Более маленькие экзосомы синтезируются внутри специализированных клеточных компартментов и затем экспортируются. Другие, которые отрываются от собственной мембраны клетки, называются микровезикулами или эктосомами и имеют больший размер. Содержимое также варьируется, но обязательно присутствуют небольшие молекулы РНК — фрагменты генетического материала, которые могут включать или выключать гены в клетках, в которые они попадают.
Сейчас ученые только начинают выяснять, каким образом клетки, которые синтезируют экзосомы, упаковывают свой специфический «груз», и как это действует на клетку, в которой в итоге окажутся эти экзосомы? Медицинские аспекты данного вопроса исследуются такими компаниями, как Codiak BioSciences, ReNeuron, Exosomics и Exosome Sciences. Например, определенные типы экзосом в биологических жидкостях могут помочь врачам диагностировать заболевания, а созданные в лаборатории экзосомы могут доставлять лекарства к четко определенным мишеням.
Рисунок 2. Формирование, отправка и прибытие экзосом к месту назначения | Экзосомы формируются в специальном клеточном депо, называемом мультивезикулярным телом, далее они отправляются к клеткам-реципиентам, которые могут захватывать содержимое или весь пузырек целиком и использовать белки или генетический материал, содержащийся внутри.
Экзосомы и рак: инструмент для отслеживания
Дэвид Лиден, биолог-онколог из Weill Cornell Medicine в Нью-Йорке, изучает, как именно раковые клетки распространяются из первичной опухоли к другим органам. Например, как меланома, находясь в клетках кожи, «посылает» злокачественные клетки в легкие, чтобы образовать вторичный очаг?
Работая с мышами, больными меланомой, Лиден и его коллеги пометили клетки крови и опухолевые клетки, чтобы они светились зеленым и красным соответственно. Наблюдая за мышами, они заметили, что зеленые кровяные клетки попали в легкие до того, как туда прибыли красные опухолевые клетки, о чем сообщалось в Nature в 2005 году. Более того, команда увидела крошечные красные пятнышки, присоединяющиеся к клеткам крови на раннем этапе — это было описано в 2012 году в Nature Medicine, — что указывает на то, что злокачественные клетки при помощи экзосом подавали сигнал о подготовке к распространению. В свою очередь экзосомы влияли на кровоток, изменяли иммунные реакции и структуру внеклеточной среды, создавая благоприятные условия для раковых клеток.
Рисунок 3 | Клетки из соединительной ткани мыши захватывают человеческие внеклеточные везикулы (ВВ) (зеленые) и концентрируют их вокруг ядра (синие); также видна часть клеточного скелета (красная). Многие клетки организма вырабатывают ВВ, в том числе опухолевые, поэтому отслеживание ВВ может помочь в развитии таргетной терапии рака.
Команда также проанализировала экзосомы, извлеченные из крови людей с прогрессирующей меланомой. Они обнаружили, что экзосомы из опухолей обладали совершенно иным, отличным от здоровых тканей, набором белков, липидов и генетического материала.
Используя эти знания, врачи могут диагностировать и отслеживать течение онкологических заболеваний, а также прогнозировать метастазирование. Один из сотрудников Лидена, Йохан Ског, основал компанию Exosome Diagnostics, которая разработала специальные анализы мочи и крови для онкобольных. Например, если у пациента удалена опухоль, но в его крови по-прежнему есть экзосомы с содержимым, характерным для рака, это может указывать на то, что рак все еще не побежден и готовится к возвращению. В таком случае пациент должен получать более эффективное лечение.
Экзосомы и паразиты: подготовка убежища?
Трипаносомы — это простейшие, которые вызывают африканскую сонную болезнь. Переносятся с укусом мухи цеце, вызывают лихорадку, сыпь и анемию, а затем, по мере прогрессирования, судорожные припадки, изменение личности и сонливость в дневное время.
Трипаносомы имеют структуру, напоминающую хвост, но ученые не особо задумывались об этом до недавней работы Стивена Хайдука, биохимика из Университета Джорджии в Афинах. «Они похожи на бусы на веревочке», — говорит Хайдук. «Когда бусы достигают конца веревочки, они отрываются и уплывают, как экзосомы, а точнее эктосомы», — сообщила группа Хайдука в журнале Cell в 2016 году.
Рисунок 4 | Снимок, полученный с помощью микроскопа с высоким разрешением, изображающий три трипаносомы. Паразиты могут использовать экзосомы, чтобы подготовиться к колонизации привычных им областей организма.
Хайдук пока не выяснил роль экзосом, синтезируемых трипаносомами, у инфицированных людей, но он полагает, что они действуют подобно опухолевым экзосомам, подготавливая отдаленные области организма для будущей колонизации паразитом. Чтобы подтвердить эту теорию, он экспериментирует над мышами, чтобы увидеть, достигают ли эктосомы мест, где обычно оседают трипаносомы: репродуктивные органы, жировая ткань и мозг. Он также сотрудничает с американскими центрами по контролю и профилактике заболеваний, чтобы использовать экзосомы трипаносом в качестве потенциального средства для диагностики сонной болезни.
Изучение экзосом также может объяснить, почему трипаносомы вызывают анемию. Исследователи обнаружили, что эктосомы сливаются с эритроцитами, делая их мембраны менее гибкими. Иммунные клетки, разыскивая разрушенные старые клетки крови, распознают эту жесткость мембран как признак старения и уничтожают эритроциты.
Экзосомы и мозг: делимся воспоминаниями
Мозг имеет свои собственные экзосомы. В Университете Юты в Солт-Лейк-Сити нейробиолог Джейсон Шепард изучает ген Arc, который кодирует ключевой белок долговременной памяти. Его команда сообщила в Cell в 2018 году, что этот белок собирается в контейнеры, похожие на оболочки вирусов. После сборки эти структуры отшнуровываются от нервных клеток, формируя мембранную оболочку по пути.
«Это был настоящий сюрприз», — вспоминает Шепард. Он не ожидал, что ген в нервных клетках будет вести себя как вирус. «Это какая-то сумасшедшая биология». Команда также обнаружила, что эти Arc-экзосомы содержат внутри себя РНК — те, что несут инструкции по созданию самого белка Arc, и, возможно, другие — которые, судя по всему, используются поглощающими их клетками. Учитывая известную функцию Arc в работе памяти и способность экзосом передавать материалы от клетки к клетке, он подозревает, что экзосомы на основе Arc помогают нервным клеткам передавать сигналы друг другу, формируя воспоминания таким образом.
Шепард также исследует другие экзосомы — без оболочки. Он обнаружил, что когда в клетках появляются токсичные белки с неправильной структурой, это может приводить к развитию таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. «Удаление клеточных отходов либо заблокировано, либо по каким-то причинам этот процесс больше не может осуществляться», — говорит Шепард. Экзосомы могут переносить опасные белки от клетки к клетке в нервной системе, что приводит к болезни.
Экзосомы в стакане молока: полезные свойства
Земплени стал изменять геном мышей так, чтобы они не синтезировали молочные экзосомы. Потомство таких мышей весило на 25–30 % меньше, чем потомство, получающие молоко с экзосомами.
Многие молочные экзосомы попадают в мозг, где, видимо, влияют на мыслительные процессы. Команда Земплени сообщила в журнале FASEB в 2017 году, что мышам на диете с низким содержанием экзосом может понадобиться вдвое больше времени, чтобы найти выход из лабиринта, чем мышам, которые получали экзосомы». «У них действительно очень и очень плохие результаты в любом тесте, связанном с пространственным обучением и памятью», — говорит он. Несмотря на это, мыши по мере роста овладевают этими способностями.
Рисунок 5 | Клетки из соединительной ткани мыши захватывают человеческие внеклеточные везикулы (ВВ) (зеленые) и концентрируют их вокруг ядра (синие); также видна часть клеточного скелета (красная). Многие клетки организма вырабатывают ВВ, в том числе опухолевые, поэтому отслеживание ВВ может помочь в развитии таргетной терапии рака.
А как насчет детского питания? Земплени с коллегами проверили состав смесей, содержащих белки соевого или коровьего молока, и ни одна из них не содержала большого количества экзосом, говорит он. Тем не менее он подозревает, что дети в развитых странах получают такое разнообразное и насыщенное питание, что дефицит экзосом не имеет большого значения для долгосрочного развития мозга. Но все же нехватка экзосом может быть проблемой для детей в развивающихся странах.
Экзосомы и беременность: влияние на роды
Экзосомы также играют ключевую роль в процессе родов.
На медицинском факультете Техасского университета в Галвестоне биолог-репродуктолог Рамкумар Менон пытается понять, каким образом плод сигнализирует материнскому организму, что ему пора родиться.
Мембраны, окружающие плод, начинают стареть по мере приближения срока родов. Они выделяют экзосомы, заполненные клеточными отходами, которые влияют на организм матери.
Этих заполненных отходами экзосом достаточно, чтобы спровоцировать роды. Об этом сообщила команда Менона в этом году в Scientific Reports. У мышей беременность длится от 19 до 20 дней. Исследователи собрали экзосомы из крови мышей, которые находились на 18 дне беременности (близко к концу срока) и ввели их мышам, которые были на 15 дне беременности. «И у них случились преждевременные роды, на день или два раньше срока», — говорит Менон.
Менон надеется, что используя эти знания, можно изобрести экзосомные тесты для определения женщин с риском преждевременных родов, а также разработать методы предотвращения преждевременных родов.
Экзосомы и сердце: доставка товаров
Кардиолог и исследователь Эдуардо Марбан также думает о новых способах лечения: он хочет лечить людей, перенесших сердечный приступ. Он надеялся, что стволовые клетки, которые развиваются в самых разных тканях, смогут восстановить сердечную мышцу. И действительно, стволовые клетки сердца помогли ремоделировать сердечную мышцу после того, как ученые из лаборатории Марбана в Медицинском центре Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе спровоцировали сердечные приступы у мышей.
Но после более детального исследования 2011 года, опубликованного в журнале Circulation, стало ясно, что большая часть стволовых клеток погибла в течение нескольких недель, хотя полезный эффект сохранялся несколько месяцев. В конце концов команда выяснила и отметила в Stem Cell Reports в 2014 году, что стволовые клетки выделяют экзосомы, содержащие РНК, которые помогают сердечной мышце и кровеносным сосудам расти. Основываясь на этих и других результатах, Марбан основал компанию Capricor Therapeutics для разработки экзосом в качестве средств доставки лекарств. Он и его коллега Ахмед Ибрагим в Annual Review of Physiology в 2016 году кратко отчитались об исследовании связи экзосом с заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
Рисунок 6. Как можно использовать экзосомы в лечении | Ученые хотят использовать экзосомы, полученные из стволовых клеток, для доставки лекарственных веществ. Большие количества везикул могут быть использованы для лечения любого пациента (вверху), также экзосомы можно брать у конкретного пациента, включать нужное содержимое и затем доставлять обратно этому пациенту (внизу).
В другом недавнем исследовании в Stem Cell Reports группа Марбана использовала экзосомы для лечения сердечной недостаточности у мышей, у которых с помощью генной инженерии была сымитирована мышечная дистрофия Дюшенна. Экзосомы помогли улучшить не только работу сердца, но и работу скелетных мышц.
Марбан говорит, что экзосомы, заполненные лекарственными веществами, будут гораздо более эффективной терапией, чем стволовые клетки. Они могут доставлять РНК, гены, белки — все то, чем их наполняют ученые. В отличие от большинства стволовых клеток, экзосомы могут быть лиофилизированы для удобного хранения. Также они способны проникать в мозг, что дает надежду на излечение таких неврологических заболеваний, как болезнь Альцгеймера.
Экзосомы у растений: убийство захватчиков
У растений тоже есть экзосомы — они используются для защиты от грибков и бактерий.
Роджер Иннес, биолог из Университета Индианы в Блумингтоне, собрал экзосомы с листьев арабидопсиса. Как сообщили Иннес и его ученик Брайан Раттер в журнале Plant Physiology в 2017 году, в экзосомах было обнаружено много белков, которые растения производят для защиты от инфекций и других стрессовых ситуаций.
По словам Иннеса, ученые могут использовать растительные экзосомы для переноса небольших РНК, которые улучшат устойчивость сельскохозяйственных культур к вредителям и болезням. Также их можно использовать в медицине, поскольку животные могут получать экзосомы из растений, которые они едят. Он думает, что было бы проще и дешевле выращивать целые поля, полные лекарственных культур, чем синтезировать экзосомы в лаборатории.
Адрес неизвестен
Но прежде чем мы сможем насладиться салатами, наполненными полезными экзосомами, ученым предстоит много работы. Исследователи не до конца понимают, как именно клетки «загружают» определенные вещества в экзосомы в процессе их формирования. Во многих случаях они до сих пор не знают, что это за вещества и как они влияют на клетки, которые их получают.
Другая загадка: как сделать так, чтобы нужные вещества доставлялись нужным клеткам? Исследователи знают, что некоторые экзосомы усеяны белками, которые соединяются с белками на мембранах клеток-мишеней. Для создания лекарственных препаратов на основе экзосом Марбан и другие работают над тем, чтобы назначить везикулам так называемые адреса. Ученые модифицируют их мембраны, чтобы они находили правильное место в организме.
Хотя исследования экзосом только начинаются, перспективы уже будоражат наше воображение. Представьте кровь, заполненную конвертами разных размеров, движущихся в потоке, которые затем находят своих адресатов среди хаоса. Это похоже на самое суматошное почтовое отделение за день до Рождества — весь день и всю ночь, по всему организму.