Медицинские новости:

Внеклеточные везикулы в диагностике и лечении рака

6447 0
Внеклеточные везикулы в диагностике и лечении рака
Роль внеклеточных везикул в лечении рака и диагностическом процессе начали изучать недавно, но есть основания полагать, что за экзосомами — будущее онкологии.

Как нормальные, так и больные клетки непрерывно выбрасывают внеклеточные везикулы (ВВ) во внеклеточное пространство, а ВВ несут молекулярные сигнатуры и эффекторы как физиологические, так и патологические.

Внеклеточные везикулы отражают динамические изменения, которые происходят в микроокружении клеток и тканей в состоянии здоровья и на разных стадиях болезни.

ВВ способны изменять функцию клеток-реципиентов.

Было показано, что взаимный обмен молекулярной информацией с помощью внеклеточных везикул между разными органами и типами клеток способствует клеточной трансформации, перепрограммированию, функциональным изменениям и метастазированию.

Внеклеточные везикулы содержат опухолевые супрессоры, фосфопротеины, протеазы, факторы роста, биоактивные липиды, мутантные онкопротеины, онкогенные транскрипты, микроРНК и последовательности ДНК.

Любые ВВ, присутствующие в биологических жидкостях, обеспечивают беспрецедентный неинвазивный доступ к важной молекулярной информации о состоянии клеток, в том числе их мутациям, классификаторам, молекулярным типам, терапевтическим мишеням и биомаркерам лекарственной устойчивости.

Кроме того, внеклеточные везикулы можно использовать для неинвазивной оценки возникновения, прогрессирования, риска, выживаемости и результатов лечения рака.

Цель нашей сегодняшней статьи — осветить современную информацию о роли внеклеточных везикул в развитии онкологических заболеваний и их полезность в диагностике, профилактике и лечении рака.

Новое поколение биомаркеров рака

Живые клетки выделяют во внеклеточное пространство большое количество эндоцитарных или везикул плазматической мембраны, включая экзосомы, микровезикулы (МВ) и апоптотические тела, которые называются внеклеточными везикулами (ВВ).

В литературе сообщается о различных названиях внеклеточных везикул — экзосомы, эктосомы, онкосомы, апоптотические тела, микрочастицы или микровезикулы.

В зависимости от происхождения, выделяют два класса ВВ: экзосомы и микровезикулы.

Экзосомы, везикулы размером с наночастицы (30–100 нм) с плавучей плотностью 1,13–1,19 г/см3 , выделяются как здоровыми, так и многими патологически измененными клетками.

Экзосомы образуются по эндолизосомному пути и происходят из эндосомального компартмента, называемого мультивезикулярными телами.

Ли, Парк и соавторы сообщили, что внеклеточные везикулы могут генерироваться мезенхимальными стволовыми клетками и участвовать в подавлении ангиогенеза.

Другие типы клеток, тромбоциты, нейтрофилы, ретикулоциты, макрофаги, мегакариоциты, моноциты, В- и Т-клетки, тучные клетки и эндотелиальные клетки, также выделяют ВВ.

Микровезикулы размером 100–1000 нм образуются путем почкования и слияния плазматической мембраны с внеклеточным веществом и имеют несколько общих черт с родительскими клетками, включая наличие мембранных липидов, рецепторов, многочисленных нуклеиновых кислот и белков.

В целом, молекулярный состав каждой ВВ имитирует родительскую клетку или ткань с ее факторами роста, рецепторами, протеазами, микроРНК, липидами и белками. В нескольких исследованиях сообщалось о наличии ряда биоактивных белков, нуклеиновых кислот, липидов и других биомолекул.

Кейби и соавторы продемонстрировали, что ВВ содержат тетраспанины, такие как CD9, CD63 и CD81; молекулы I и II класса комплекса гистосовместимости (МНС); связанный с лизосомами мембранный белок-2 (LAMP-2).

Внутри экзосом, выделенных из клеток миелоидного лейкоза, колоректального рака и меланомы, присутствует двухцепочечная ДНК (представляющая весь геном опухоли).

Развитие рака — это многоэтапный и многофакторный процесс, который включает неконтролируемый рост, устойчивость к апоптозу, генетические и эпигенетические изменения и отклонения в микроокружении.

Эти изменения внутри раковой клетки отражаются внеклеточными везикулами, поэтому исследователей интересует применение ВВ для диагностики, мониторинга и лечения рака.

Обычно биомаркеры указывают на отклонения от нормального биологического статуса, которые способствуют канцерогенезу. В настоящее время ряд биомаркеров, в основном из циркулирующих клеток рака, применяют для диагностики и дальнейшего лечения.

Многие из современных биомаркеров дают мало информации о происхождении ткани, и поэтому их трудно использовать в таргетной терапии рака. В свою очередь, это значительно ограничивает полезность обычных биомаркеров в научных и клинических условиях.

Уникальные характеристики внеклеточных везикул могут сделать их идеальными биомаркерами следующего поколения для исследований рака и терапии в XXI веке.

Например, участие ВВ во внутриклеточной коммуникации и динамический характер их состава позволили исследователям изучить потенциал модуляции опухоли. Известно, что количество и состав везикул меняются в процессе развития заболевания.

Бейран и соавторы сообщили о повышении количества ВВ у пациентов с опухолью желудка, причем количество везикул коррелировало со стадией. Повышенная экспрессия CCR6 и Her-2 / neu наблюдалась в образцах пациентов с поздней стадией рака.

Уровни PTEN внутри экзосом, выделенных у пациентов с раком предстательной железы, коррелировали с развитием заболевания, а потому их использовали для диагностики рака.

ВВ отличаются превосходным биораспределением и биосовместимостью; эти свойства делают их идеальными для использования при доставке и биораспределении лекарств.

Тот факт, что внеклеточные везикулы содержат функциональные нуклеиновые кислоты, свидетельствует о том, что они функционально похожи на вирусные частицы.

ВВ были обнаружены во многих биологических жидкостях, включая амниотическую жидкость, грудное молоко, бронхоальвеолярный секрет, спинномозговую жидкость и сыворотку крови, слюну и мочу.

Повсеместное распространение везикул в биологических жидкостях наряду с тем, что они отражают состав родительских клеток, дает ученым уникальную платформу для проведения популяционных исследований и изучения онкологических заболеваний.

ВВ могут внести значительный вклад в изучение нормальной физиологии и патофизиологических механизмов.

В эпидемиологических исследованиях сложно, а иногда невозможно собрать несколько биологических образцов до развития заболевания. С помощью ВВ эпидемиологи могут минимально инвазивным путем получить серию необходимых образцов.

Морфологический, молекулярный и функциональный анализ биологических жидкостей, обогащенных ВВ, уже сегодня расширяет наше понимание риска и механизмов развития рака предстательной железы, рака легкого, рака печени, рака желудка, глиобластомы и злокачественных новообразований, связанных с KSHV.

Ряд исследователей работают над использованием внеклеточных везикул в качестве бесклеточной вакцины для профилактики и лечения опухолевых заболеваний.

Функции внеклеточных везикул в организме

Для ВВ были предложены различные биологические роли:

- удаление избыточного или вредного клеточного содержимого,
- эмиссия сигнальных и регуляторных молекул для межклеточной коммуникации и функциональной модификации нормальных клеток
- стимуляция или ингибирование иммунной системы организма
- антигенпрезентирующая функция
- контроль патогенов и др.

Можно с уверенностью сказать, что внеклеточные везикулы участвуют как в полезных для организма, так и патологических процессах.

ВВ используются в диагностике и прогнозировании рака, потому что функция исходной клетки может быть экстраполирована путем изучения состава ВВ (белков, мРНК, некодирующих РНК, липидов или других молекул) в жидкостях организма.

Каглерт и коллеги продемонстрировали содержание двухцепочечной ДНК в сыворотке, собранной у пациентов с раком поджелудочной железы. ДНК, выделенная из их везикул, успешно использовалась в лаборатории для выявления мутаций р53 и KRAS.

ВВ не содержат белки митохондриального, ядерного или эндоплазматического ретикулума. Экзосомы, в частности, не содержат большинство рибосомальных РНК, в основном мРНК.

ВВ могут взаимодействовать с клетками-мишенями рака непосредственно через рецепторы клеточной поверхности или могут быть интернализованы клетками-мишенями посредством слияния мембран или эндоцитоза.

Как только ВВ-ассоциированные сигнальные молекулы распознаны, функцию клетки-мишени можно модифицировать или регулировать.

Патологические функции и роль экзосом в изучении рака

В ответ на патологические изменения клетки связываются друг с другом, секретируя гетерогенную смесь везикул (включая МВ и экзосомы) с различным составом.

Пегтель и соавторы продемонстрировали, что миРНК, присутствующие в экзосомах из клеток, инфицированных вирусом Эпштейна-Барра, могут высвобождаться и индуцировать сайленсинг специфических генов, когда находятся в контакте с окружающими неинфицированными B-клетками.

Использование внеклеточных везикул для диагностики рака

Независимо от того, высвобождаются ВВ из клеток инфицированного хозяина или же инфекционного агента, содержащаяся в них информация открывает новые возможности молекулярной диагностики ряда заболеваний.

Анализ содержания везикул также способствует пониманию взаимодействия хозяина с инфекционным агентом, чтобы обеспечить эффективный дизайн вакцины и разработку новых терапевтических средств.

Использование внеклеточных везикул для диагностики рака

Содержание везикул в образцах биологических жидкостей пациента отражает содержание клеток (как стромальных, так и опухолевых), из которых они происходят.

ВВ можно использовать в качестве биомаркеров для диагностики, прогнозирования и мониторинга реакции пациента на назначенное лечение.

Было продемонстрировано, по крайней мере, в случае рака яичников, что профилирование миРНК, выделенных из циркулирующих экзосом, дает результаты, аналогичные изучению экзосом непосредственно из ткани.

Это говорит о том, что циркулирующие экзосомы могут быть использованы в качестве суррогата для тканевых миРНК, а профилирование миРНК из экзосом имеет отличные перспективы в качестве диагностического биомаркера рака яичников.

Однако изучение ВВ, характерных для тех или иных заболеваний, только начинается.

Диагностические биомаркеры рака яичников в настоящее время неизвестны, и приблизительно 70% случаев заболевания диагностируются на поздней стадии.

Новая информация свидетельствует, что экзосомные биомаркеры могут быть полезны при скрининге. В частности, количество высвобождаемых из тканей циркулирующих экзосом в четыре раза выше у пациентов с раком яичников, чем у нормальных субъектов.

Лян и коллеги охарактеризовали протеомное и геномное профилирование экзосом рака яичников. Это исследование показало, что в экзосомах присутствуют молекула адгезии эпителиальных клеток (EpCAM), CD24 и миРНК.

Это содержимое может служить биомаркером для диагностики рака яичников.

Поскольку сообщалось, что сверхэкспрессия EpCAM коррелирует с пролиферацией эпителиальных клеток, при выделении экзосом рака яичника для дальнейшего анализа может быть использована технология на основе микрогранул, покрываемых антителами к EpCAM.

Тейлор и соавторы сообщают, что профилирование экзосомных миРНК является перспективным в плане новых диагностических биомаркеров при раке яичников.

Авторы выявили, что группа присутствующих в экзосомах миРНК (miR-21, miR-141, miR-200a, miR-200b, miR-200c, miR-205 и miR-214) обладает характеристиками, аналогичными тем, которые были выделены из ткани яичников.

Кроме того, высокие уровни этих миРНК коррелируют с поздней стадией болезни.

В дополнение к экзосомам, большие диагностические надежды возлагаются на микровезикулы при некоторых злокачественных новообразованиях.

Повышенные уровни микровезикул зарегистрированы в сыворотке крови пациентов с опухолями молочной железы по сравнению со здоровыми людьми.

При раке почки МВ, содержащие разные миРНК и мРНК, высвобождались из стволовых клеток рака почки, что может указывать на их роль в васкуляризации опухоли.

При идентификации биомаркера для мультиформной глиобластомы сывороточные микровезикулы анализировали с помощью микроматричного анализа экспрессии.

Исследователи выявили группу РНК, которые повышены при данном типе опухоли.

Транскриптомный анализ экзосом в моче больных раком предстательной железы показал более высокие уровни PCA-3 и TMPRSS2-ERG по сравнению с контролем.

Поскольку ткань рака предстательной железы фенотипически неоднородная, биопсия, взятая из определенного места, может не отражать общий статус злокачественной опухоли, включая специфические для опухоли варианты, мутации и уровни мРНК и микРНК для диагностических целей.

Транскриптомный анализ циркулирующих везикул может быть репрезентативным для статуса злокачественной опухоли предстательной железы.

Оценка агрессивности рака с помощью внеклеточных везикул

Определение агрессивности рака является ключевым для составления прогноза.

Существуют многообещающие возможности использования внеклеточных везикул для этой цели. Например, при раке яичников высокие уровни CD24 указывают на худший прогноз и снижают показатели выживаемости пациентов.

Исследования показали, что уровни EpCAM и CD24, присутствующие в экзосомах, коррелировали с агрессивностью рака яичников.

Рунц выделил экзосомы у пациентов с раком яичников. Исследователь обнаружил, что цитоплазматическая локализация CD24 наблюдается в опухолях с высоким инвазивным потенциалом, и наоборот.

При меланоме экзосомы, выделенные из метастатических клеток, были способны сделать первичную опухоль агрессивной путем конверсии предшественников костного мозга.

Белки, участвующие в регуляции мембранного транспорта и образования экзосом, такие как RAB1A, RAB5B, RAB7 и RAB27A, демонстрируют сверхэкспрессию в клетках меланомы.

При раке мочевого пузыря экзосомы, выделенные из мочи пациентов с поздним раком мочевого пузыря, имели более высокие уровни EDIL-3, молекулы, которая способствует ангиогенезу, по сравнению с экзосомами от здоровых людей.

При гепатоцеллюлярной карциноме было доказано, что EDIL-3, играющий роль в прогрессировании других опухолей, также выделяется в больших количествах.

Рецепторная тирозинкиназа MET отвечает за опосредованное экзосомами метастатическое поведение на модели мышей с меланомой. Когда экспрессия Met в экзосомах уменьшается, прометастатическое поведение клеток костного мозга не наблюдается.

Роль внеклеточных везикул в лечении рака

Как упоминалось ранее, ВВ были предложены в качестве бесклеточной вакцины.

Преимущества везикул в заключаются в том, что они не живые объекты и легко экстрагируются из биологических жидкостей.

Роль внеклеточных везикул в лечении рака

Это биодоступные носители, которые хорошо переносятся нацеливаются на конкретные ткани, устойчивы к метаболическим процессам и, самое главное, преодолевают мембраны.

ВВ считаются идеальными кандидатами для доставки миРНК / малых интерферирующих РНК или лекарственных молекул, которые в противном случае быстро разлагались бы.

Потенциальные области применения внеклеточных везикул в лечении рака были предложены относительно недавно. ВВ можно снабдить селективной комбинацией лекарств для доставки. При этом вещество достигнет цели с минимальными проблемами, обусловленными иммунитетом и прохождением гематоэнцефалического барьера.

В крови ВВ стабильны и способны доставлять функциональные РНК в клетки.

Что касается персонализированной медицины, ВВ, взятые у одного человека, могут быть обогащены, смешаны с лекарством и возвращены тому же человеку без риска отторжения.

Опухолевые везикулы переносят антигены клеток рака и представляют их Т-лимфоцитам, вызывая противоопухолевый ответ и приводя к массовой гибели опухолевых клеток.

Также было предложено использование ВВ, особенно нановезикул, в бесклеточных противораковых вакцинах. ВВ способны стимулировать иммунную систему к распознаванию специфических антигенов и инициировать иммунный ответ в отношении аномальной раковой клетки, оставляя окружающие клетки неизменными.

Проблемы и потенциальные решения

Хотя концентрация при раке ВВ увеличивается, методы выделения везикул, как правило, отнимают много времени и дают образцы, которые нуждаются в дальнейшей очистке.

Эти факторы, наряду с очень высокими затратами, ограничивают применение везикул, особенно в эпидемиологических исследованиях, где анализируются тысячи образцов.

Необходимы дальнейшие улучшения технологии выделения ВВ, очистки и анализа.

Кроме того, современные технологии изоляции затрудняют идентификацию различных подгрупп везикул. Вот почему в научной литературе так часто можно встретить термин «внеклеточные везикулы» вместо конкретных типов (например, экзосомы и МВ).

Существует и другая проблема. Загрязнение комплексами РНК-белок, белковыми агрегатами и другими микрочастицами может повлиять на результаты лабораторных исследований.

Из-за многофункциональной природы ВВ важно понять баланс между здоровой и онкогенной передачей сигналов везикул, что также затруднительно.

Одним из способов использования ВВ в терапевтических целях является удаление / нейтрализация этих пузырьков для предотвращения метастазирования и онкогенеза.

Тем не менее, на сегодняшний день технические и финансовые проблемы, связанные с удалением микроскопических клеточных образований in vivo, мешают клиническому использованию данного метода.

Новые технологические достижения могут изменить ситуацию в ближайшем будущем.

Иногда МВ, высвобождаемые из определенного органа, отвечают за резистентность к терапии, перенося белки множественной лекарственной устойчивости (MDR).

Необходимо понять, как изменить биосинтез внеклеточных везикул и межклеточную коммуникацию, чтобы можно было ВВ использовать для целенаправленной терапии.

Предстоит понять, являются ли методы лечения, которые нацелены на поглощение опухолевых ВВ клетками-реципиентами, достаточно специфическими в контексте предотвращения побочных эффектов.

Также необходимо лучшее понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе биосинтеза везикул и их физиологической значимости.

Несмотря на проблемы, упомянутые выше, научное сообщество заинтересовано в этих тканевых пузырьках и их многочисленных функциях. ВВ имеют большие перспективы для диагностики и лечения рака. Аналогичным образом, существует ряд перспективных направлений использования везикул в исследованиях рака и эпидемиологии.

Похожие статьи
показать еще
  • Новые
  • Популярные