Наука

Экзосомы – клеточные «почтальоны»

О роли экзосом в жизнедеятельности клеток и о перспективах использования этих удивительных микроскопических пузырьков в медицине рассказывает Анатолий Соловьев, д-р мед. наук, профессор, зав. отделом фармакологии клеточных сигнальных систем и экспериментальной терапии, руководитель Межведомственной лаборатории доклинического изучения лекарственных средств ГУ «Институт фармакологии и токсикологии НАМН Украины», дважды лауреат Государственной премии Украины

— Анатолий Иванович, в названии руководимого Вами отдела есть словосочетание «клеточные сигнальные системы». Расскажите, пожалуйста, что они собой представляют.

— Любой внеклеточный сигнал (в том числе и лекарственное средство) принимают клеточные рецепторы или другие мембранные структуры, которые затем передают его в соответствующие клеточные компартменты к конечным мишеням. Ответные реакции клетки можно разделить на быстрые и медленные.

Примером быстрых реакций могут служить изменения интенсивности и направления трансмембранных ионных потоков через соответствующие ионные каналы и связанные с ними процессы модуляции активности ферментных систем.

Медленные реакции связаны с изменением экспрессии генов, то есть в этом случае уже задействованы процессы транскрипции и трансляции, что проявляется некоторой временной задержкой. Дело в том, что для изменения экспрессии генов в клетке необходимо осуществить синтез новых транскрипционных факторов или модулировать активность существующих. Модуляция активности транскрипционных факторов может осуществляться различными способами: например, в результате ковалентной модификации (присоединения или удаления групп, частичного протеолиза) либо путем связывания транс-факторов с аллостерическими регуляторами (ионами, белками или веществами гормональной природы) с помощью слабых взаимодействий.

Поскольку модуляция генной экспрессии стимулируется под влиянием экстраклеточных стимулов, клетка должна распознавать эти сигналы и адекватно на них реагировать. Поэтому в многоклеточных организмах функционирует сложная система передачи межклеточных сигналов (химических, электрических), которые поставляют в клетки информацию об изменениях в окружающей среде и внутри организма. Достигнув отдельной клетки, межклеточный сигнал запускает внутриклеточную сигнальную систему, которая и приводит к стимуляции или ингибированию различных процессов.

Читайте также: Ионные каналы как основа новых лечебных технологий

— Насколько важна в этих процессах роль экзосом и какова причина столь пристального внимания к ним в медицине?

— По мере развития науки о клетках ученые открывают все новые удивительные их свойства. Мы уже рассказывали о клеточных «электростанциях» — митохондриях, клеточных «водопроводах» — аквапоринах и некоторых других замечательных устройствах в клетках. Не меньшего внимания заслуживают и так называемые экзосомы, которые можно назвать клеточными «почтальонами», осуществляющими, в том числе, процессы межклеточной сигнализации. Они представляют собой микроскопические пузырьки величиной 40–100 нм, выделяемые клетками во внеклеточную среду.

Главной особенностью экзосом является то, что содержимое пузырька окружено мембраной, которая предохраняет их от воздействия среды, а рецепторы на ее поверхности обеспечивают доставку точно по адресу

Эти пузырьки вначале считали чем-то вроде «мусорного бачка» для удаления из клетки отходов жизнедеятельности, поэтому с момента их открытия и до начала XXI в. никто ими особенно не интересовался. Потом было установлено, что они обладают способностью регулировать иммунные реакции организма. Когда же в 2007 г. в них были обнаружены нуклеиновые кислоты — носители генетической информации, стало ясно, что это вовсе не мусорные контейнеры. Оказалось, что разнообразные молекулы, упакованные в эти пузырьки-везикулы, постоянно пересылаются из одного отдела клетки в другой, а также секретируются наружу. Точная доставка возможна благодаря комплексу белков, которые выступают как в качестве «адреса», так и в качестве «почтового отделения» в каждом клеточном отделе.

Дальнейшее же исследование экзосом позволило прояснить этот механизм в деталях: какие гены кодируют компоненты системы везикулярного транспорта, что за белки в этом участвуют и, наконец, как регулируется внутри- и межклеточный трафик. За раскрытие механизмов везикулярного транспорта — главной транспортной системы в наших клетках — Рэнди Шекману, Джеймсу Ротману и Томасу Зюдхофу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2013 г. Наконец всем стало ясно, что экзосомы — это бесценная перспектива для будущей медицины.

Читайте также: Почему организм привыкает к лекарственным средствам и можно ли с этим бороться?

— Каковы особенности такой клеточной «почты»?

— Пузырьки воздействуют на клетку-адресата гораздо более сложными способами, чем отдельные молекулы, поскольку содержат многочисленные белки, липиды и даже нуклеиновые кислоты. Главной особенностью является то, что содержимое пузырька окружено мембраной, которая предохраняет их от воздействия среды, а рецепторы на ее поверхности обеспечивают доставку точно по адресу. Перенос экзосом осуществляется «водным транспортом» — с жидкостью, циркулирующей по кровеносным артериям и лимфатическим сосудам. Таким образом обеспечивается обмен информацией между удаленными клетками в разных органах и разных частях тела.

Экзосомы по многим параметрам являются идеальным средством доставки лекарств. Они способны нести достаточно большие порции лекарственных средств, и при этом, благодаря липидной оболочке, предохраняют свое содержимое от разбавления и разрушения, а также могут переносить его через плазматическую мембрану клетки. Кроме того, экзосомы являются абсолютно нетоксичными

— Что Вы можете сказать о способности экзосом регулировать иммунные реакции организма?

— Экзосомы, как и клетки, несут на своей мембране белки главного комплекса гистосовместимости, обозначаемые аббревиатурой МНС (от англ. major histocompatibility complex), а также белки теплового шока (HSP60, HSP70, HSP90). Как те, так и другие принимают участие в связывании антигенов и предъявляют эти антигены иммунной системе. Белки МНС отвечают также за распознавание «своих» и «чужих» клеток и тканей.

Способность мембранных пузырьков транспортировать информацию впервые была обнаружена в исследованиях экзосом из В-лимфоцитов.

— Какие еще важные свойства, присущие экзосомам, известны на сегодня?

— Основным механизмом информационной деятельности экзосом до последнего времени считался перенос матричной РНК, которая кодирует необходимые клетке-реципиенту белки. Однако по результатам исследований, проведенных в течение последних лет, установлено, что клетки общаются между собой, используя в качестве «языка» нетранслируемые последовательности как микроРНК, так и матричных (!) РНК. Переносчиком этих «посланий» и являются экзосомы.

По-видимому, экзосомы играют важную роль в восстановлении поврежденных органов. Все больше данных свидетельствует о том, что внеклеточные везикулы, секретируемые из гемопоэтических стволовых клеток, мультипотентных клеток стромы или сердечных стволовых клеток, обладают уникальными свойствами. Они защищают клетки, оставшиеся в поврежденных тканях, от апоптоза, стимулируют деление выживших клеток и рост сосудов.

Читайте также: Разработано устройство для адресной доставки и длительного высвобождения лекарств

— Можно ли использовать экзосомы для диагностики заболеваний?

— Безусловно. За последние годы собрана обширная информация о компонентах внеклеточных пузырьков из различных типов клеток и жидкостей. Оказалось, что состав их белков, липидов, микроРНК и матричных РНК в значительной степени зависит от происхождения пузырьков, а также от физиологического состояния породившей их клетки, от того, здорова она или больна и, таким образом, может многое сказать о состоянии организма.

Из экзосом, содержащихся в плазме крови, моче и других биологических жидкостях, можно получить микроРНК для проведения диагностики. Результаты такого анализа помогут не только установить диагноз, но и определить стадию заболевания, выяснить, прогрессирует ли оно или вошло в стадию ремиссии, проверить эффективность лечения.

Исследование экзосом имеет огромную практическую значимость как для диагностики, так и для терапии различных заболеваний, что, по мнению многих ученых, позволит в ближайшем будущем поднять медицину на качественно новый уровень

Еще одним преимуществом диагностики с помощью экзосом является то, что вместо весьма болезненной, а порой и небезопасной хирургической биопсии тканей можно исследовать жидкости и получить ту же информацию.

— Каковы перспективы использования экзосом в терапии различных заболеваний?

— Далеко не полный список возможного терапевтического применения уже включает иммунотерапию, изготовление вакцин, модуляторы ангиогенеза и целевую доставку в ткани-мишени различных лекарственных средств.

Экзосомы по многим параметрам являются идеальным средством доставки лекарств. Они способны нести достаточно большие порции лекарственных средств, и при этом, благодаря липидной оболочке, предохраняют свое содержимое от разбавления и разрушения, а также могут переносить его через плазматическую мембрану клетки. Кроме того, экзосомы являются абсолютно нетоксичными.

Особо следует отметить еще один перспективный аспект применения экзосом. Исходя из того, что в основе терапевтической эффективности мезенхимальных стволовых клеток может лежать терапевтическое воздействие продуцируемых ими экзосом, которые, в отличие от клеток, легко переносят замораживание и оттаивание, было предложено перейти от клеточной терапии к терапии экзосомами. Для массового производства экзосом предполагается использовать культуры человеческих мезенхимальных стволовых клеток, обладающих способностью к пролиферации. Важно отметить, что в отличие от клеток экзосомы сами не размножаются, поэтому не могут выйти из-под контроля и начать образовывать опухоли, а значит терапия экзосомами более безопасна, чем клеточная терапия.

Таким образом, исследование экзосом имеет огромную практическую значимость как для диагностики, так и для терапии различных заболеваний, что, по мнению многих ученых, позволит в ближайшем будущем поднять медицину на качественно новый уровень.

Отрадно отметить, что подобные работы проводятся и в Украине. Так, на базе нашего Института создана лаборатория молекулярной нанобиотехнологии ООО «НаноМедТех», с которой мы тесно сотрудничаем. Ее сотрудники занимаются вопросами диагностики и терапии с использованием нановезикул-экзосом.

Подготовил Руслан Примак,
канд. хим. наук

Фото: выход экзосом из клетки; иллюстрация; Keith Kasnot.

“Фармацевт Практик” #10′ 2017