Эффективная адресная доставка лекарственных средств с помощью экзосомальных наночастиц

Экзосомы – маленькие везикулы (как правило, диаметром 30-120 нм), формирующиеся за счет отпочковывания мембран вовнутрь эндоцитозных компартментов и секретируемые наружу клетки при слиянии содержащих их эндосом с плазматической мембраной. Экзосомы высвобождаются клетками большинства типов, и их можно обнаружить в таких физиологических жидкостях, как плазма, моча, слюна, сыворотка и спинномозговая жидкость.1 Постоянно растет число доказательств того, что экзосомы играют важную роль в межклеточных взаимодействиях, транспортируя и доставляя такие клеточные компоненты, как липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

В последнее время экзосомы привлекают значительный интерес как потенциальные биоматериалы для доставки лекарственных средств. Поскольку экзосомы содержат эндогенные клеточные компоненты, некоторых из них можно приспособить для нацеливания на определенные типы клеток и тканей и преодоления биологических барьеров, например, гематоэнцефалического. Во-вторых, благодаря эндогенному происхождению экзосомы будут с меньшей вероятностью вызывать иммуногенные или цитотоксические реакции по сравнению с другими синтетическими системами доставки. Наконец, липидный бислой экзосом сможет защитить лекарственные средства от быстрой элиминации из крови и снизить цитотоксичность, ассоциированную с побочными действиями.

Почему экзосомы – эффективные инструменты доставки лекарственных средств?

Природные характеристики и компоненты экзосом делают их идеальными кандидатами для доставки лекарств.2 Они достаточно велики, чтобы не подвергаться быстрому почечному клиренсу, но достаточно малы, чтобы избегать захвата клетками ретикулоэндотелиальной системы. Маленькие наночастицы типа экзосом (10-100 нм) преимущественно аккумулируются в плотных опухолевых тканях из-за повышенной проницаемости сосудистой сети и аномального лимфодренажа, что делает их привлекательными кандидатами для доставки лекарств в раковые опухоли определенных типов.3

Подобно другим везикулам, экзосомы окружены липидным бислоем, имеющим внутреннюю липофильную область и ограничивающим водянистое содержимое везикул. Такая структура позволяет нагружать экзсомы как гидрофобными, так и гидрофильными материалами. Хотя экзосомы сильно отличаются по типу и количеству переносимых клеточных компонентов, некоторые липиды, белки и нуклеиновые кислоты встречаются в них чаще других. Экзосомы содержат большое количество холестерина, сфинголипидов, фосфоглицеридов, церамидов и остатков насыщенных жирных кислот,4 и включение этих жестких молекул, по-видимому, способствует устойчивости везикул.

В экзосомах можно обнаружить множество белков, как мембраносвязанных, так и внутриклеточных. Самыми типичными из них являются мембранные транспортные белки, белки слияния, белки главного комплекса гистосовместимости, белки теплового шока, тетраспанины, белки эндосомального комплекса сортировки (ESCRT) и белки, ассоциированные с липидными рафтами.2 Кроме того, экзосомы характеризуются повышенным содержанием белков, специфичных для того типа клеток, которые их секретируют. Например, экзосомы, выделяемые дендритными клетками, обогащены родственным белком теплового шока hsc73, который может играть роль в противоопухолевых эффектах, наблюдаемых при участии этих экзосом.5

Также экзосомы содержат нуклеиновые кислоты, в том числе микроРНК, некодирующую РНК и мРНК. Примечательно, что эти РНК можно обнаружить как в жидком внутреннем компартменте экзосом, так и привязанными к их внешней стороне посредством белка Argonaute-2.6 Некоторые микроРНК могут нацеливаться и упаковываться в экзосомы белком, распознающим короткие мотивы в РНК, что указывает на возможность селективной упаковки РНК в экзосомы.

Примеры доставки лекарств с помощью экзосом

Поскольку экзосомы высвобождаются клетками различных типов, существует возможность выбора источника для их выделения. При выборе следует учитывать два важных фактора: биологические свойства и выход экзосом из клеток определенного типа. Например, показано, что экзосомы из дендритных клеток вызывают более сильные противоопухолевые иммунные ответы, нежели экзосомы из опухолевых клеток EG7. Это дает основание предполагать, что экзосомы из дендритных клеток содержат больше молекулярных факторов, которые могут стимулировать пролиферацию и дифференцировку T-клеток или взаимодействовать с ними более эффективно по сравнению с экзосомами из опухолевых клеток.8 Вторым важным показателем при выборе клеток-доноров является количество экзосом, высвобождаемых клетками конкретных типов. Мезенхимальные стволовые клетки считаются особо перспективным типом клеток по многим причинам: высокая продукция экзосом, простота их выделения, возможность масштабирования культур9, 10 и обеспечения жизнестойкости клеток.11, 12

Чистота и количество экзосом, выделенных как из культуральной среды, так и из физиологических жидкостей, критичны для разработки на их основе систем доставки лекарств. Обычно экзосомы очищают с помощью дифференциального центрифугирования, а их выход измеряют различными методами определения количества белка.13 Альтернативными стратегиями очистки экзосом являются фильтрация, иммуноаффиное выделение, микрогидродинамические методы. Они позволяют быстро выделить экзосомы для структурного и физического анализа, но пока неясно, будут ли такие препараты жизнеспособны для терапевтической доставки.

Загрузку в экзосомы терапевтических агентов осуществляют методами in vitro14 и ex vivo15. Например, для загрузки лекарственных препаратов в экзосомы использовали такие методы ex vivo, как циклы замораживания-оттаивания, пермеабилизация сапонином, обработка ультразвуком и экструзия. При этом структура и активность этих препаратов сохранялась и после загрузки в экзосомы. Кроме того, оказалось, что при хранении в диапазоне температур от -20 ⁰C до -80 ⁰C и после нескольких циклов замораживания-оттаивания экзосомы остаются стабильными.2

Доставка терапевтических агентов через гематоэнцефалический барьер

Одной из самых больших трудностей химиотерапии является доставка лекарственных средств через некоторые биологические барьеры, например, гематоэнцефалический барьер. Экзосомы, секретируемые глиобластомой, были обнаружены в сыворотке крови. Это дало основание полагать, что эндогенные экзосомы способны преодолевать гематоэнецефалический барьер.16 Кроме того, интраназальное введение мышам препаратов экзосом, нагруженных куркумином (полифенолом с противовоспалительными свойствами), приводило к апоптозу микроглиоцитов, что также подтверждает возможность преодоления везикулами гематоэнцефалического барьера. Наконец, показано, что экзосомы из эпителиальных клеток головного мозга, нагруженные противоопухолевыми лекарственными средствами, преодолевают гематоэнцефалический барьер и индуцируют цитотоксические реакции в опухолевых клетках рыб данио-рерио.18 Все эти результаты позволяют предполагать, что экзосомы могут быть особенно полезны для доставки лекарственных средств в головной мозг.

Перспективы

Хотя доставка лекарственных средств с помощью экзосом кажется перспективным направлением клинической медицины, для ее безопасного и эффективного внедрения придется решить несколько ключевых проблем. Прежде всего, необходимо стандартизировать процессы выделения и очистки экзосом, чтобы устранить такие контаминанты, как белковые агрегаты, и повысить воспроизводимость. Во-вторых, следует определить клетки, которые могли бы стать стабильными донорами экзосом, и исчерпывающе охарактеризовать эти экзосомы. Наконец, нужно разработать более эффективные способы загрузки лекарственных препаратов в экзосомы, чтобы максимизировать их доставку.

Список литературы

  1. El Andaloussi S, Mäger I, Breakefield XO, Wood MJA. Extracellular vesicles: biology and emerging therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov 2013;12:347–357. doi: 10.1038/nrd3978.
  2. Ren J, He W, Zheng L, Duan H. From structures to functions: insights into exosomes as promising drug delivery vehicles. Biomater Sci 2016;4:910–921. doi: 10.1039/c5bm00583c.
  3. Prabhakar U, Maeda H, Jain R, et al. Challenges and key considerations of the enhanced permeability and retention effect for nanomedicine drug delivery in oncology. Cancer Res 2013;73:2412–2417. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-12-4561.
  4. Théry C, Zitvogel L, Amigorena S. Exosomes: composition, biogenesis and function. Nat Rev Immunol 2002;2:569–579. doi: 10.1038/nri855.
  5. Théry C, Reganault A, Garin J, et al. Molecular characterization of dendritic cell-derived exosomes. Selective accumulation of the heat shock protein hsc73. J Cell Biol 1999;147:599–610.
  6. Arroyo JD, Chevillet JR, Kroh EM, et al. Argonaute2 complexes carry a population of circulating microRNAs independent of vesicles in human plasma. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 2011;108:5003–5008. doi: 10.1073/pnas.1019055108.
  7. Villarroya-Beltri C, Gutiérrez-Vázquez C, Sánchez-Cabo F, et al. Sumoylated hnRNPA2B1 controls the sorting of miRNAs into exosomes through binding to specific motifs. Nat Commun 2013;4:2980. doi: 10.1038/ncomms3980.
  8. Hao S, Bai O, Yuan J, et al. Dendritic cell-derived exosomes stimulate stronger CD8+ CTL responses and antitumor immunity than tumor cell-derived exosomes. Cell Mol Immunol 2006;3:205–211.
  9. Lai RC, Yeo RWY, Tan KH, Lim S. K. Exosomes for drug delivery - a novel application for the mesenchymal stem cell. Biotechnol Adv 2013;31:543–551. doi: 10.1016/j.biotechadv.2012.08.008.
  10. Yeo RWY, Lai RC, Zhang B, et al. Mesenchymal stem cell: an efficient mass producer of exosomes for drug delivery. Adv Drug Deliv Rev 2013;65:336–341. doi: 10.1016/j.addr.2012.07.001.
  11. Zhang J, Guan J, Niu X, et al. Exosomes released from human induced pluripotent stem cells-derived MSCs facilitate cutaneous wound healing by promoting collagen synthesis and angiogenesis. J Transl Med 2015;13:49. doi: 10.1186/s12967-015-0417-0.
  12. Zhang Z, Yang J, Yan W, et al. Pretreatment of Cardiac Stem Cells With Exosomes Derived From Mesenchymal Stem Cells Enhances Myocardial Repair. J Am Heart Assoc 2016;5:1. doi: 10.1161/JAHA.115.002856.
  13. Théry C, Amigorena S, Raposo G, Clayton, A. Isolation and characterization of exosomes from cell culture supernatants and biological fluids. Curr Protoc Cell Biol. Editor. Board Juan Bonifacino Al (2006) Chapter 3, Unit 3.22. doi: 10.1002/0471143030.cb0322s30.
  14. Pascucci L, Coccè V, Bonomi A, et al. Paclitaxel is incorporated by mesenchymal stromal cells and released in exosomes that inhibit in vitro tumor growth: a new approach for drug delivery. J Control Release Off J Control Release Soc 2014;192:262–270. doi: 10.1016/j.jconrel.2014.07.042.
  15. Haney MJ, Klyachko NL, Zhao Y, et al. Exosomes as drug delivery vehicles for Parkinson’s disease therapy. J Control Release Off J Control Release Soc 2015;207:18–30. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.03.033.
  16. Al-Nedawi K, Meehan B, Micallef J, et al. Intercellular transfer of the oncogenic receptor EGFRvIII by microvesicles derived from tumour cells. Nat Cell Biol 2008;10:619–624. doi: 10.1038/ncb1725.
  17. Zhuang X, Xiang X, Grizzle W, et al. Treatment of brain inflammatory diseases by delivering exosome encapsulated anti-inflammatory drugs from the nasal region to the brain. Mol Ther J Am Soc Gene Ther 2011;19:1769–1779. doi: 10.1038/mt.2011.164.
  18. Yang T, Martin P, Fogarty B, et al. Exosome delivered anticancer drugs across the blood-brain barrier for brain cancer therapy in Danio rerio. Pharm Res 2015;32:2003–2014. doi: 10.1007/s11095-014-1593-y.


Свяжитесь с нами

















Я согласен получать информацию о продукции, вебинарах, товарах и услугах компании Beckman Coulter, включая также информацию о продукции, товарах и услугах аффилированных компаний.



Добровольно предоставляя нам свои персональные данные с целью рассылки информации рекламного характера, вы соглашаетесь с тем, что в силу специфики Интернета, ваши данные могут быть переданы за пределы границ Российской Федерации. Настоящим вы признаете и соглашаетесь, что такие персональные данные могут быть переданы из места вашего действительного нахождения в офисы и на серверы Beckman Coulter Inc., ее аффилированных лиц, агентов и поставщиков услуг, которые могут находиться в Европейском Союзе, Соединенных Штатах Америки и других странах. В случае передачи данных в страну, чьи законы, применимые к осуществляемым на Сайте операциям, не обеспечивают эквивалентную защиту данных, Beckman Coulter Inc. предпримет все меры, чтобы обеспечить надлежащий уровень защиты таких персональных данных в соответствии с настоящим согласием. Ознакомьтесь с нашей политикой конфиденциальности и политикой в отношении персональных данных.