Экзосомы что это такое в косметологии
Экзосомы против морщин
Ученые омолодили кожу у мышей без инъекций
Старение кожи заставляет людей обращаться к косметологическим процедурам, чтобы справиться с морщинами и повысить упругость кожи. Современные инъекционные методы сохраняют омолаживающий эффект всего на несколько месяцев, поэтому такие подходы нельзя назвать эффективными. Американские ученые успешно протестировали новый подход для лечения старения кожи – экзосомную терапию.
Экзосомы – это внеклеточные везикулы, или пузырьки, которые выделяются различными клетками для коммуникации. В своей работе ученые использовали экзосомы из дермальных фибробластов человека и разработали полностью неинвазивную процедуру для разглаживания морщин.
Предварительные эксперименты на культуре клеток показали, что обработка клеток кожи человека экзосомами повышает количество коллагена и вызывает другие омолаживающие изменения.
Затем команда провела эксперименты с мышами, которых предварительно подвергли воздействию ультрафиолета, который ускоряет старение кожи, в течение восьми недель.
Главное ноу-хау новой технологии – безыгольный инъектор, который использует для вживления экзосом под кожу струю воздуха.
Через три недели после лечения у грызунов наблюдались более тонкие и поверхностные морщины, кожа стала более толстой и упругой. Кроме того, кожный покров имел меньше воспалений, а синтез коллагена, обычно снижающийся с возрастом, усилился. В контрольной группе ученые применили стандартную ренитоевую кислоту для снижения симптомов старения кожи, но таких впечатляющих эффектов не было.
Терапия обладает потенциалом для лечения старения кожи у человека, уверены авторы. Исследования будут продолжены.
Читать статьи по темам:
Читать также:
Молекулярные механизмы омоложения кожи
Специалисты наконец расшифровали молекулярный механизм действия альфа-гидроксикислот, давно применяемых в косметологии для улучшения внешнего вида и состояния кожи.
Молодящиеся мыши
Молодой голубой
Метиленовый синий – доступный, недорогой и безопасный химикат – может замедлить или даже обратить вспять старение кожи человека. Проверено электроникой!
Метиленка затормозит преждевременное старение?
Малые дозы метиленового синего практически полностью устраняют дефекты в клетках больных прогерией, а также устраняют возрастные повреждения здоровых клеток.
Не спешите умываться отбеливателями!
Несмотря на оптимистические результаты исследований, ученые категорически запретили применять отбеливатель в домашних условиях, поскольку неправильная концентрация раствора может привести к сильнейшим ожогам.
Краткая энциклопедия антиэйджинга
В последние годы сформировалась целая индустрия для борьбы со старением, начиная от масок для лица и заканчивая последними аппаратными методиками для омоложения на молекулярном уровне.
Электронное СМИ зарегистрировано 12.03.2009
Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-35618
Стволовые клетки и белковые функции кожи. Чего боится пациент, к чему стремится доктор
Несколько недель назад, когда мы с моим невероятным другом и соавтором Стасей Золотовой задумали цикл статей о положении стволовых клеток в современной косметологии, я сделала один деловой звонок, который начался так:
– Добрый день. Меня зовут Екатерина Глаголева, я президент Ассоциации регенеративной эстетической медицины в России.
– Добрый день. Опять «косметички» что-то новое придумали.
Разговор, начатый в стиле Жванецкого, был обречен на успех. Мы с собеседником быстро нашли общий язык, но я задумалась. Действительно, с 2008 года «косметички» – они же врачи эстетической медицины, косметологи, дерматологи, пластические хирурги, стоматологи, неврологи, гинекологи и психотерапевты, – борясь за внешнюю и внутреннюю красоту своих пациентов и опираясь на достижения инженеров, биохимиков, технологов, генетиков и разработчиков новых ингредиентов и активных веществ, смогли далеко продвинуться в лечении серьезных нозологий и улучшении качества жизни.
Так почему же во многих отраслях медицины мы до сих пор слышим это умильно-пренебрежительное: «Опять со своими сенсациями?»
Такие слова Я-Чи Сю, руководителя Гарвардской лаборатории, одной из передовых в исследованиях аутологичных методов, могут стать достойным ответом. Цель исследования доцента кафедры стволовых клеток и регенеративной биологии и ее команды – выяснить, как взаимодействуют стволовые клетки между собой, вплетаясь в регенеративные процессы. И выбрала биолог для этого именно кожу. Почему?
Многообразие
Отзывчивость
Именно в современной косметологии и дерматологии обнаружилось огромное количество точек приложения теоретических знаний к практическим. В настоящее время ведутся научные разработки и публикуются исследования в нескольких направлениях, среди самых перспективных выделяют:
Что к чему, или Какое во всем этом прикладное значение
Стволовые клетки
Еще один источник стволовых клеток – амниотическая жидкость, пуповинная кровь и желе Уортона, обладающие большей пролиферативностью и потенциалом дифференциации по сравнению с адипоцитами. Однако с некоторыми из них есть сложности в работе.
Аутологичная плазма
В первую очередь они отличаются методом забора, скоростью роста высвобожденного фактора и способом активации формирования сгустка.
Аутологичные фибробласты
Экзосомы
В популярной литературе можно встретить их описание как «межклеточной почты». Это микроскопические мембранные пузырьки, или внеклеточные везикулы, которые передают сигналы между клетками и играют важную роль во многих областях биологии, а еще их можно использовать в лечении. Под влиянием этих сигналов клетка может менять свои биологические свойства, например, сигналинг потенциально может влиять на ускорение или торможение регенерации.
Экзосомы – это новый шаг в развитии способов доставки лекарственных средств, а значит, в перспективе и космецевтических составов. Они выигрывают перед липосомами и полимерными наночастицами благодаря длительному периоду полураспада, который обеспечивает их стабильность, и биосовместимости, неиммуногенности и потенциально контролируемой адресной доставке.
Безопасность
Здесь сломает копья не одно поколение ученых. Как только звучат слова «регенерация» и «репарация», у одних перед глазами встает картина заживления пораненного пальца, у других – как отрастает хвост у 35-летней красотки, которая занималась глупостями. Оставим мракобесие, что говорят нам великие ученые.
Возможности регенеративной эстетической медицины
Таблица 1. Аутологичные методы в дерматологии 29
Методика
Показания
Косметологическое применение: омоложение кожи, коррекция морщин, рубцы от угревой сыпи, растяжки, темные круги под глазами
Вместо выводов
Люди продолжат летать в космос, биологи продолжат делать открытия, врачи буду интегрировать их в свою докторскую деятельность. Над всем этим всегда будет легкий флёр страха. Знают ли они, что делают? Ответ покажет наука… и жизнь.
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 – межклеточная почта
Давно известно, что клетки «общаются» друг с другом посредством сигнальных молекул, которые они выделяют в межклеточную жидкость. Но открытия последних лет радикально изменили взгляды на механизмы этого взаимодействия. Выяснилось, что, помимо сигнальных молекул, клетки секретируют везикулярные (пузырьковые) структуры, которые могут перемещаться по организму и избирательно проникать в другие клетки, доставляя в них белки и нуклеиновые кислоты и таким образом влияя на их жизнедеятельность
Нельзя сказать, что до открытия «путешествующих» пузырьков-везикул биологи совсем не подозревали о том, что клетки секретируют подобные структуры, как и о возможности межклеточного переноса нуклеиновых кислот. Так, было известно, что при содержании в культуре клетки выделяют в среду ДНК и РНК, а в крови животных обнаруживали циркулирующие внеклеточные молекулы нуклеиновых кислот. Однако секретируемым клетками везикулярным структурам приписывалась роль «мусорщиков», убирающих из клетки ненужные вещества, а появление в кровотоке нуклеиновых кислот зачастую объясняли их поступлением из погибших клеток. При этом не предпринималось никаких попыток установить, в составе каких структур секретируются из клеток эти макромолекулы.
Все изменилось в 2007 г., когда было обнаружено, что крошечные внеклеточные пузырьки, которые выделяют клетки, несут в себе функционально активные генетические программы (Valadi, 2007). Начались активные исследования структуры везикул, механизма их биогенеза и биологической активности. Оказалось, что эти внеклеточные образования являются не «мусорщиками», а транспортерами биологических макромолекул, среди которых – короткие регуляторные РНК (микро- и другие некодирующие РНК) и даже кодирующие матричные РНК (мРНК). С помощью мРНК эти «посланники» могут побуждать клетки-реципиенты синтезировать белки, которые до этого в них не присутствовали.
В исследования везикулярных структур включились ведущие биологические и биомедицинские лаборатории. В 2011 г. в Гетеборге (Швеция) было основано Международное общество по внеклеточным везикулам, а уже на следующий год состоялась первая конференция, посвященная исключительно этой области исследований. Тогда же был основан и журнал Journal of Extracellular Vesicles. С тех пор Общество проводит ежегодные симпозиумы, школы и конференции.
Какими они бывают
Внеклеточные везикулы представляют собой сферические структуры размером от 40 до нескольких сотен и даже тысяч нанометров. Их подразделяют на разные типы в зависимости от размеров, состава и способа образования.
Экзосомы обычно выделяют из биоматериала – культуральной среды (если речь идет о культурах клеток) или биологических жидкостей, таких как кровь, моча, слюна. Классический способ выделения путем последовательного центрифугирования – процесс длительный и трудоемкий. Для практического применения обычно используют гель-фильтрацию, которая позволяет разделять частицы на основании их размера. Этот способ обеспечивает получение достаточно чистых препаратов, однако также занимает много времени, что ограничивает его использование в широких масштабах. Для выделения фракций микровезикул, несущих определенные белки, используют аффинные методы выделения (с помощью антител к нужным белкам)
Самый большой (до 5000 нм) размер среди внеклеточных везикул имеют апоптотические тельца, которые представляют собой фрагменты клеток, разрушившихся в результате апоптоза – процесса запрограммированной клеточной гибели. Ученые «доэкзосомной» эпохи часто предполагали именно этот вариант, когда находили в кровотоке нуклеиновые кислоты. Микровезикулы, размер которых может достигать 1000 нм, образуются путем отпочковывания в окружающую среду участка плазматической мембраны клетки.
Но наибольшее внимание научного мира сейчас приковано к экзосомам. Эти везикулы, имеющие размер от 40 до 100—150 нм, образуются в эндосомах – мембранных внутриклеточных органеллах, связанных с транспортом вещества внутри клетки. Экзосомы формируются путем «впячивания» участка эндосомальной мембраны в просвет органеллы, который затем отшнуровывается. Эндосома, содержащая экзосомы, называется уже мультивезикулярным тельцем. Эта клеточная структура либо уничтожается протеолитическими ферментами, либо направляется к мембране клетки, где сливается с ней и «раскрывается», выбрасывая свое содержимое во внеклеточную среду.
Везикулярные структуры могут секретировать самые разные клетки. В зависимости от вида клеток и условий культивирования они несут разные наборы РНК и белков, а также могут содержать ДНК. Например, было показано, что экзосомы клеток разных видов рака могут переносить двуцепочечную ДНК, в которой присутствуют те же мутации, что и в ДНК родительской раковой клетки (Thakur et al., 2014).
«Длинные руки» клеток
Сегодня не вызывает сомнений, что экзосомы участвуют во многих процессах в организме. С ними, к примеру, связывают терапевтические эффекты стволовых клеток – недифференцированных («незрелых») клеток, из которых формируются специализированные клетки и ткани.
Стволовые клетки уже давно пытаются применять в медицине, и не без успеха. Так, имеются положительные результаты экспериментов по восстановлению повреждений печени, почек, легких, кожи и даже сердечной мышцы после инфаркта с помощью инъекций стволовых клеток. Есть предположение, что такое регенеративное действие оказывают не сами клетки, а секретируемые ими продукты, в том числе микровезикулы, которые переносят специфические наборы матричных и малых интерферирующих РНК (Rani, 2015).
Экзосомы, выделяемые антигенпрезентирующими дендритными клетками, играют важную роль в развитии иммунного ответа. Эти клетки захватывают антигены – чужеродные молекулы и представляют их другим клеткам иммунной системы – T-лимфоцитам, участвующим в дальнейших иммунных реакциях организма. Экзосомы, как и их клетки-прародительницы, также имеют встроенный в мембрану молекулярный главный комплекс гистосовместимости, в составе которого антигены «представляются» иммунным клеткам организма.
Экзосомы вовлекаются и в развитие вирусных инфекций. Так, клетки, зараженные ВИЧ, могут с помощью экзосом распространять по организму вирусные белки и РНК, таким образом способствуя ослаблению иммунной системы и развитию инфекции (Madison, 2015; Teou, 2016).
Много экзосом выделяют и клетки злокачественных опухолей. Дело в том, что наибольшее число экзосом продуцируется при пониженной концентрации кислорода (гипоксии), а такое состояние характерно для опухоли. Экзосомы содействуют развитию и распространению рака в организме, увеличивая проницаемость сосудов и подготавливая почву для успешного метастазирования.
Так, в случае глиобластомы, одной из самых распространенных и агрессивных опухолей мозга, экзосомы ускоряют рост раковых клеток и способны вызывать злокачественную трансформацию нормальных клеток. Экзосомы заметно влияют на микроокружение опухолевых клеток, меняя состав поверхностных белков клеток нейроглии – вспомогательного «персонала» мозговой ткани и уровень секреции цитокинов (небольших гормоноподобных пептидных молекул), снижая тем самым способность макрофагов захватывать опасные объекты. В клетках микроглии (вспомогательных иммунных клетках центральной нервной системы) экзосомы провоцируют накопление белка матриксной металлопротеиназы, характерного для клеток опухоли и стимулирующего развитие метастазов и ангиогенез (разрастание сосудов) (Gourlay, 2016).
Одно из свойств глиобластомы, способствующих ее быстрому распространению, – образование инвадоподий. Эти выросты клеточной мембраны, богатые сократительным белком актином, могут разрушать внеклеточные тканевые структуры благодаря действию ферментов протеаз, расщепляющих белки. Оказалось, что рост и регуляция инвадоподий также могут быть опосредованы экзосомами (Hoshino, 2013).
Перспективы в диагностике и терапии
Исследования экзосом уже привели к получению практических результатов, и в первую очередь в диагностике: при ряде заболеваний из биологических жидкостей человека можно выделить экзосомы, несущие маркеры – определенные РНК и белки, которые можно проанализировать. Такие методы диагностики называют «жидкой биопсией», и они гораздо менее травматичны, чем обычная тканевая биопсия, и занимают меньше времени.
Именно на таком принципе работают диагностические наборы для обнаружения немелкоклеточного рака легкого и рака простаты производства компании Exosome Diagnostics (США). С их помощью определяют наличие особых «раковых РНК» в экзосомах, выделенных из крови пациента, что дает возможность поставить диагноз на ранней стадии болезни. Компания готовится представить подобные наборы для определения генетических мутаций при раке легкого, что важно для выбора стратегии лечения.
Можно простимулировать культивируемые клетки выделять много экзосом, например, создавая им стрессовые условия. Для этого можно уменьшить в среде концентрацию глюкозы, изменить кислотность, температуру или степень насыщения кислородом либо добавить определенные химические вещества.
В промышленном масштабе получать экзосомы пока не научились, но зато экзосомоподобные везикулы легко можно выделить из обычного молока. И такие структуры уже успешно опробованы в качестве переносчиков химиопрофилактических и химиотерапевтических препаратов. Также предпринимаются попытки разработать технологии создания искусственных экзосомоподобных везикул из клеточных мембран. Так, исследователи из Южной Кореи разработали технологию, позволяющую срезать с клеток фрагменты клеточной мембраны, которые потом сами собираются в везикулы диаметром 100—300 нм (Yoon, 2015)
Ведутся исследования возможностей диагностики заболеваний и на основе белковых маркеров экзосом. К примеру, уже описаны белковые «палитры» экзосом, характерные для разных типов рака молочной железы, что позволяет детально характеризовать заболевание и отслеживать эффективность его лечения.
Экзосомы перспективны и как универсальные инструменты для адресной доставки в клетки терапевтических препаратов. За счет присутствия в мембране особых липидов и белков они могут специфично связываться только с определенными клетками. Сами же экзосомы практически не иммуногенны, нетоксичны, устойчивы в биологических средах и хорошо защищают свое содержимое от разрушения. А небольшой размер этих везикул позволяет им легко проникать в различные органы и ткани, минуя, в том числе, и гематоэнцефалический барьер, защищающий мозг.
С помощью экзосом можно доставлять в клетки не только химиопрепараты, но и терапевтические нуклеиновые кислоты. Например, компания Codiak совместно с Онкологическим центром Андерсона при Техасском университете (США) разрабатывает на основе экзосом препарат для лечения рака поджелудочной железы. Известно, что одна из причин возникновения этого типа рака – мутация в протоонкогене Kras, которая приводит к синтезу мутантной формы соответствующего фермента и злокачественной трансформации клетки. Созданные исследователями экзосомы доставляют в раковые клетки малую молекулу РНК, специфичную к мутантному гену, что подавляет его работу по механизму РНК-интерференции. Это приводит к замедлению метастазирования и увеличивает выживаемость у лабораторных животных (Kamerkar, 2013).
Дальнейшие исследования в этой области могут привести к созданию эффективных лекарственных средств против разных видов рака.
Исследования в области экзосом сегодня находятся на переднем крае мировой науки. Множество научных коллективов и организаций занимаются изучением их строения, биогенеза, возможностей для применения в качестве диагностических маркеров и терапевтических средств. Такой работой занимаются и специалисты Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск): как приложениями экзосом в диагностике, так и их лекарственным «наполнением» для адресной доставки в клетки.
Несмотря на уже накопленную информацию, мы многое про экзосомы еще не знаем. Например, известно, что одни и те же клетки могут секретировать экзосомы с совершенно разными наборами молекул, но вот как именно функциональное состояние клеток влияет на содержимое экзосом, остается загадкой. Однако перспективы применения подобных структур в медицине очевидны, а дальнейшие фундаментальные исследования должны принести уже в ближайшее время много открытий.
Edgar J. R. Q&A: What are exosomes, exactly? // BMC Biology. 2016. V. 14. N. 1. P. 46.
Rani S., Ryan A. E., Griffin, M. D. et al. Mesenchymal Stem Cell-derived Extracellular Vesicles: Toward Cell-free Therapeutic Applications // Molecular Therapy. 2015. V. 23. N. 5. P. 812—823.
Raposo G., Stoorvogel W. Extracellular vesicles: Exosomes, microvesicles, and friends // Journal of Cell Biology. 2013. V. 200. N. 4. P. 373—383.
Valadi H., Ekstrom K., Bossios A. et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells // Nature Cell Biology. 2007. V. 9. N. 6. P. 654—659.