Если на клетке слона прочтёшь надпись «буйвол», не верь глазам своим

Козьма Прутков

Для регенеративной медицины очень важен вопрос о том, как регулируется восстановление клеточной массы в случае естественной смерти клеток и замены их новыми клетками (физиологическая регенерация) или при гибели части клеток вследствие патологического процесса (репаративная регенерация).

Известно, что региональные стволовые клетки находятся в дормантном (спящем) состоянии и не делятся. Классическим примером пробуждения региональных стволовых клеток является регенерация печени после удаления ее части. Даже после экспериментальной резекции половины печени, оставшаяся ее часть может восстанавливаться до стандартных размеров. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Liver Transplantation, показало, что печень достигает своего первоначального размера всего через три недели после трансплантации. Когда часть печени пересаживают от донора реципиенту, она в течение одного месяца достигает нормальных размеров, как у донора, так и у реципиента. В то же время, в случае инфаркта миокарда восстановления сердечной мышцы не происходит, а погибшие в результате ишемии кардиомиоциты замещаются соединительной тканью. Почему? Ответ на этот вопрос следуют искать в тех наночастицах, которые до недавнего времени считались… клеточными мусорщиками. Речь идет об экзосомах.

Впервые термин «экзосомы» был предложен в 1981 году для обозначения мембранных везикул (мельчайших пузырьков), которые продуцировали раковые клетки [Trams E. G., Lauter C. J., Salem N. Jr, Heine U. (1981) “Exfoliation of membrane ectoenzymes in the form of micro-vesicles ”Biochim Biophys Acta 645(1):63–70]. Основной функцией экзосом тогда считалось быстрое удаление из клеток некоторых белков, то есть, экзосомам отводилась роль клеточного мусорщика (см. эпиграф). Через 32 года (2013 г.) за открытие везикулярного транспорта была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Такой вот «мусорщик» (рис. 1)…

Что же такое экзосомы на самом деле? Экзосомы обладают уникальной структурой, во многом напоминающей миниатюрную копию клетки. Их плазматическая мембрана надежно изолирует содержимое экзосом от внешней среды и повреждения. Состав экзосом включает практически все классы биомолекул клеток: белки, ДНК, РНК, липиды, низкомолекулярные соединения. Кроме того, экзосомы содержат факторы роста и цитокины. Добавим сюда тот факт, что экзосомы могут свободно перемещаться между клетками, проникать в любые биологические жидкости (кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, грудное молоко, слюна, сперма, моча) и достигать всех тканей организма. Добавим и поймем, что 30 лет мы смотрели, но не видели важнейший механизм клеточного общения в многоклеточном организме – горизонтальную передачу информации от клетки к клетке.

Сегодня принято различать микровезикулы и экзосомы. Микровезикулы представляют собой пузырьки от 100 до 1000 нм в диаметре, образующиеся путем выпячивания плазматической мембраны из клетки наружу с последующим отделением образовавшегося пузырька от мембраны клетки.

Экзосомы – это небольшие мембранные везикулы от 50 до 100 нм в диаметре, образующиеся из эндосомальных мультивезикулярных телец, и секретируемые путем экзоцитоза большинством клеток организма (рис. 2).

 Исследования показали, что экзосомы транспортируют в клетки-реципиенты различные биомолекулы – белки, РНК, ДНК, вирусные частицы, вызывая целый каскад изменений на геномном (за счет ДНК) и эпигеномном (микроРНК) уровнях [Ogorevc E., Kralj-Iglic V., Veranic P. (2013) “The role of extracellular vesicles in phenotypic cancer transformation” Radiol Oncol (3):197–205].

Это открытие, которое многое изменит в медицине. Понимание того, что межклеточная коммуникация осуществляется по механизму везикулярного транспорта, в корне меняет наши представления о развитии болезней и их лечении…

Сегодня уже доказано, что состав экзосом не является случайным и не соответствует составу белков плазматических мембран клеток-продуцентов, а представляет собой «микрокарты», программирующие клетку-реципиента к определенным действиям. В частности, взаимодействие изолированных экзосом В-лифоцитов с фолликулярными дендритными клетками, CD8+ и CD4+ T-лимфоцитами приводит к усилению иммунного ответа.

Экзосомы, полученные из инфицированных клеток, содержат патогенные антигены, модулирующие иммунный ответ.

Экзосомы макрофагов, инфицированных вирусом иммунодефицита человека 1-го типа, специфически связываются с T-клетками, что обеспечивает распространение инфекции и супрессию иммунного ответа.

Экзосомы, секретируемые клетками эпителия кишечника, участвуют в регуляции противовоспалительных процессов.

Экзосомы эпителиальных клеток бронхов, содержащие повышенное количество цитокинов, в случае бронхиальной астмы обеспечивают распространение противовоспалительного эффекта по всем тканям дыхательной системы.

Нейроны, олигодендроциты и микроглия секретируют везикулы, которые мигрируют к определенным клеткам-мишеням. Показано участие экзосом в формировании миелина, играющего ключевую роль в функционировании и выживании нервных волокон. Ряд патогенных белков, вызывающих грубую и смертельную патологию центральной нервной системы, например, прионы, обнаруживаются в составе экзосом и могут переноситься от клетки к клетке, то есть, экзосомы способствуют распространению патологического процесса в головном мозге.

Опухолевые клетки продуцируют экзосомы в значительно большем количестве, чем нормальные клетки. «Раковые» экзосомы обнаружены во всех биологических жидкостях организма, включая сыворотку крови, мочу, сперму, асцитную и плевральную жидкости. Посредством переноса информационных молекул, экзосомы провоцируют формирование первичных опухолей и опухолевую прогрессию: изменяют микроокружение стромальных клеток; повышают инвазивную способность клеток; активируют ангиогенез; активируют онкогены; элиминируют проапоптотические факторы; транспортируют индукторы апоптоза в клетки противоопухолевого иммунитета, что вызывает их гибель.

Экзосомы раковой стволовой клетки подавляют противоопухолевый иммунитет: угнетают Т-лимфоциты и натуральные киллеры (NK-клетки); блокируют созревание антиген-презентирующих клеток; увеличивают количество и усиливают активность иммуносупрессорных клеток; способствуют активному переносу различного рода вирусов, включая вирусы, ассоциированные с канцерогенезом.

Кроме того, опухолевые клетки посредством секреции экзосом избавляются от химиопрепаратов (в частности, доксорубицина), и именно этот процесс лежит в основе приобретения раковыми клетками устойчивости к противоопухолевой терапии. Экзосомы раковой стволовой клетки воздействуют на опухолевые клетки с помощью эпигенетических механизмов регуляции транскрипции генов посредством переноса информационных и малых РНК, что лежит в основе феномена генетической нестабильности малигнизированных клеток.

На сегодняшний день установлены следующие функции экзосом:

  • регуляция иммунного ответа;
  • представление антигена;
  • передача РНК и белков;
  • передача инфекционных частиц (например, вирусов и прионов);
  • передача сигналов от клеток к клеткам;
  • участие в модулировании иммунного ответа;
  • участие в онкогенезе, метастазировании опухолевых клеток;
  • участие в механизмах развития нейродегенеративных заболеваний.

Впечатляет количество экзосом: в 1 мл плазме крови их насчитывается до 900 000 000000 – девятисот миллиардов!

Но не стоит думать, что экзосомы играют в организме человека исключительно негативную роль. Это нормальный физиологический механизм регуляции многоклеточного организма. Экзосомы, секретируемые эмбриональными стволовыми клетками в процессе внутриутробного развития, эпигенетически перепрограммируют различные клетки-мишени зародыша, а экзосомы, продуцируемые мезенхимальными стволовыми клетками (МСК), участвуют в устранении повреждений и регенерации тканей. Известно, что молодые МСК способны продлить жизнь старым животным. Японскими исследователями был идентифицирован фактор, стимулирующий регенерацию тканей. Этот фактор (Gdf6 – growth differentiation factor 6) секретируют молодые МСК. С возрастом продукция этого фактора снижается, что связано со ослаблением синтеза микроРНК-17. Гиперэкспрессия Gdf6 in vivo существенно уменьшала степень связанных со старением угнетения лимфопоэза, недостаточной репарации мышц и предотвращала снижение количества нервных клеток-предшественников в головном мозге.

Биологическая и терапевтическая активность МСК, а также способность к продукции экзосом мезенхимальными стволовыми клетками, обратно коррелируют с возрастом их донора. Предложена гипотеза о том, что, некоторые из переносимых экзосомами микроРНК могут способствовать старению, запуская сигнальные пути, ведущие к одряхлению организма, но другие, наоборот, защищают его от этих процессов. Экзосомы состарившихся клеток с помощью своей микроРНК так изменяют микроокружение, что оно начинает благоприятствовать возрастным заболеваниям, понижению иммунитета, воспалению и нарушению функций различных органов. Экзосомы из молодых клеток, наоборот, способствуют процессам регенерации различных органов и уже используются в регенеративной медицине.

Далеко не полный список возможного применения экзосом в медицине уже включает диагностику болезней, иммунотерапию, изготовление вакцин, модуляцию ангиогенеза, целевую доставку в ткани-мишени различных лекарственных препаратов (в том числе ферментов, препаратов на основе РНК: микроРНК, матричных РНК, малых интерферирующих РНК). Кроме того, экзосомы – безусловный кандидат на поставку в клетки организма «омолаживающих» микроРНК, способных инактивировать процессы старения. Не исключено, что удаляя из кровотока старого организма экзосомы и заменяя их на экзосомы молодого растущего организма, можно будет перепрограммировать клетки так, что они станут моложе…

В нашей лаборатории мы изучаем возможности терапевтического использования экзосомплазмы пуповинной крови, стволовых клеток плаценты, мезенхимальных стволовых клеток костного мозга, пуповины, Вартонова геля, а также фетальных стволовых клеток.

Вполне возможно, что для лечения многих болезней стволовые клетки уже и не понадобятся, достаточно будет использовать их экзосомы, которые отличаются стабильностью, а значит, могут быть доступны в любом медицинском учреждении. Или в аптеке…