Экзосомы: крошечные переносчики веществ в нашем теле
Перевод: Полина Чурсина
Редакция: Софья Дворкина
Оформление: Никита Родионов, Cornu Ammonis

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

Среднестатистический американец выпивает 17 галлонов молока каждый год. Молоко содержит экзосомы коров, которые могут повлиять на организм человека. Янош Земплени — директор Небрасского центра по профилактике ожирения в университете штата Небраска-Линкольн — и его коллеги описали экзосомный компонент молока в 2019 году в Annual Review of Animal Bioscience . В одном исследовании Земплени проверил кровь людей после того, как они выпили молоко, и обнаружил там РНК коровы. В 2014 году ученые сообщили, что некоторые из этих РНК влияют на человеческий ген, участвующий в процессе деления костных клеток. Поэтому, возможно, они могут повлиять на рост скелета.

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.

Эти экзосомы прилипают к грибам, и клетки грибов поглощают их, что опасно для грибов, потому что экзосомы могут иметь в составе противогрибковый яд. У Иннеса есть доказательства того, что некоторые экзосомы содержат химические вещества, называемые глюкозинолатами, которые сами по себе безвредны. Другие экзосомы содержат ферменты, которые действуют как молекулярные ножницы, разрезая эти глюкозинолаты пополам. Так возникает молекула-убийца, которая препятствует выработке энергии в клетках грибов, и они умирают. Глюкозинолаты также ответственны за характерный запах растений, таких как горчица и брокколи.

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.