Exosome als Nanopartikel

Exosomen sind kleine Vesikel (typischerweise 30-120 nm). Sie werden durch die Einwärtsstülpung endozytischer Kompartments gebildet und durch Fusion dieser Vesikel enthaltenden Endosomen mit der Plasmamembran ausgeschieden. Exosomen werden von den meisten Zelltypen ausgeschieden und sind in Körperflüssigkeiten wie Plasma, Urin, Speichel, Serum und zerebrospinaler Flüssigkeit zu finden.1 Immer mehr Nachweise deuten darauf hin, dass Exosomen durch den Transport und die Abgabe von Zellkomponenten wie Lipiden, Proteinen und Nukleinsäuren eine wichtige Rolle bei der Zell-Zell-Kommunikation spielen.

Exosomen haben in letzter Zeit beträchtliches Aufsehen als potenzielles Biomaterial für die Arzneimittelabgabe erregt. Zunächst weil Exosomen endogene Zellkomponenten enthalten; bestimmte Exosomen sind möglicherweise in der Lage, bestimmte Zelltypen und Gewebe anzuvisieren und ihnen zu ermöglichen, biologische Schranken, wie z. B. die Blut-Hirn-Schranke, zu überwinden. Weiterhin sind Exosomen aufgrund ihrer endogenen Herkunft weniger wahrscheinlich immunogen oder zytotoxisch als andere synthetische Abgabesysteme. Schließlich kann die Lipiddoppelschicht von Exosomen das Arzneimittel vor schneller Blut-Clearance schützen und die mit unspezifischen Arzneimittelwirkungen verbundene Zytotoxizität reduzieren.

Was macht Exosomen zu effizienten Hilfsmitteln für die Arzneimittelabgabe?

Durch die intrinsischen Charakteristika und Komponenten von Exosomen sind diese ein idealer Kandidat für die Arzneimittelabgabe.2 Exosomen sind groß genug, um eine schnelle renale Clearance zu verhindern, jedoch klein genug, um der Aufnahme durch das retikuloendotheliale System zu entgehen. Kleine Nanopartikel wie Exosomen (typischerweise 10-100 nm) sammeln sich aufgrund der durchlässigen Vaskulatur und anomalen Lymphdrainage bevorzugt bei soliden Tumoren, sodass sie bei bestimmten Krebsarten ein attraktiver Kandidat für die Arzneimittelabgabe sind.3

Wie andere Vesikel bestehen Exosomen aus einer Lipiddoppelschicht, die ein wässriges inneres Kompartment und eine lipophile Außenschicht bildet. Diese Struktur ermöglicht die Beladung der Exosomen sowohl mit hydrophoben als auch mit hydrophilen Materialien. Obwohl Exosomen bezüglich des Typs und der Menge an Zellkomponenten, die sie tragen, stark voneinander abweichen, erscheinen bestimmte Lipide, Proteine und Nukleinsäuren häufiger vorzukommen als andere. Exosomen enthalten große Mengen Cholesterin, Sphingolipide, Phosphoglyceride und gesättigte Fettsäureketten.4 Die Einbringung dieser steifen Moleküle scheint zur Stabilität von Exosomen beizutragen.

Eine Vielzahl sowohl an membrangebundenen als auch an intrazellulären Proteinen ist in Exosomen zu finden. Die häufigsten dieser Proteine sind Membrantransport- und -fusionsproteine, Haupthistokompatibilitätskomplexe, Hitzeschockproteine, Tetraspanine, Proteine des für den Transport erforderlichen endosomalen Sortierkomplexes (ESCRT) sowie Lipid Raft-assoziierte Proteine.2 Exosomen enthalten außerdem eine Anreicherung von für den Zelltyp spezifischen Proteinen, von dem sie ausgeschieden werden. Zum Beispiel sind Exosomen, die aus dendritischen Zellen gewonnen wurden, mit dem Hitzeschockcognatprotein (Hsc73) angereichert, einem Protein, das eine Rolle bei den Antitumoreffekten spielen könnte, die bei aus dendritischen Zellen gewonnenen Exosomen festgestellt wurden.5

Exosomen enthalten außerdem Nukleinsäuren, einschließlich microRNA, nichtcodierende RNA und Botschafter-RNA. Interessanterweise sind diese RNAs entweder im wässrigen Kompartment des Exosoms oder ,durch das Argonaute2-Protein gebunden, an der Außenseite des Exosoms zu finden.6 Bestimmte microRNAs können von einem Protein anvisiert und in das Exosom gepackt werden, das kurze Motive in der RNA erkennt,7 was darauf hinweist, dass RNAs möglicherweise selektiv in Exosomen gepackt werden.

Beispiel einer exosombasierten Arzneimittelabgabe

Da Exosomen von einer Vielzahl von Zelltypen ausgeschieden werden, gibt es auch zahlreiche Optionen für die Auswahl einer Spenderzelle zur Isolierung von Exosomen. Zwei wichtige Faktoren, die eine Rolle bei der Auswahl spielen, sind biologische Eigenschaften der Exosomen und die Ausbeute an Exosomen aus dem spezifischen Zelltyp. Zum Beispiel wurde nachgewiesen, dass Exosomen, die aus dendritischen Zellen gewonnen wurden, stärkere Immunreaktionen auf Tumore stimulieren als Exosomen, die aus EG7-Tumorzellen gewonnen wurden. Dies lässt darauf schließen, dass aus dendritischen Zellen gewonnene Exosomen mehr molekulare Faktoren enthalten, welche die T-Zell-Proliferation und -Differenzierung stimulieren bzw. effizienter als aus Tumoren gewonnene Exosomen mit T-Zellen interagieren können.8 Ein weiterer Faktor bei der Auswahl der Spenderzelle für Exosomen ist die von einem bestimmten Zelltyp ausgeschiedene Exosommenge. Mesenchymale Stammzellen wurden aus zahlreichen Gründen als besonders vielversprechender Zelltyp identifiziert. Dazu gehören ihre hohe Erzeugung von Exosomen, die leichte Isolierung, die Fähigkeit, in groß angelegten Kulturen zu expandieren9,10 und die Förderung des Überlebens von Zellen.11,12

Die Gewährleistung der Reinheit und Fülle von Exosomen, seien sie aus Zellkulturmedien oder Körperflüssigkeiten gewonnen, ist für die Entwicklung einer exosombasierten Arzneimittelabgabe entscheidend. Typischerweise werden Exosome mithilfe der differentiellen Zentrifugation gereinigt und ihre Ausbeute mittels verschiedener Methoden der Proteinbestimmung gemessen.13 Andere alternative Strategien umfassen Filtration, Isolierung mittels Immunoaffinität und mikrofluidische Techniken, mit denen Exosome schnell für eine strukturelle und physische Analyse isoliert werden. Jedoch ist nicht klar, ob Exosome, die mit diesen neuen Techniken gereinigt wurden, für die Therapeutikabgabe brauchbar wären.

Therapeutika wurden sowohl mit in vitro-14 als auch mit ex vivo-15-Techniken in Exosomen geladen. Mehrere ex vivo-Techniken, einschließlich Einfrier-Auftau-Zyklen, Saponin-Permeabilisierung, Behandlung im Ultraschallbad und Extrusionsverfahren wurden zur Ladung von Arzneimitteln in Exosomen verwendet, und die Struktur und Aktivität der Arzneimittel blieben nach der Ladung in Exosomen erhalten. Darüber hinaus scheint es, dass Exosomen stabil bleiben, wenn sie von -20° C bis -80° C eingefroren und mehreren Einfrier-Auftau-Zyklen unterzogen werden.2

 

Abgabe von Therapeutika durch die Blut-Hirn-Schranke und zukünftige Richtungen

Eine der größten Herausforderungen mit Chemotherapeutika war die Abgabe von Arzneimitteln durch die jeweiligen biologischen Schranken, insbesondere die Blut-Hirn-Schranke. Von Glioblastomen ausgeschiedene Exosomen wurden in Serum entdeckt, was darauf schließen lässt, dass endogene Exosomen die Blut-Hirn-Schranke überwinden.16 Darüber hinaus wurden Präparate aus Exosomen, die mit Curcumin, einem Polyphenol mit entzündungshemmenden Eigenschaften, geladen wurden, intranasal in Mäuse eingebracht. Dies führte zu einer mikroglialen Zellapoptose, was indiziert, dass Vesikelpräparate möglicherweise die Blut-Hirn-Schranke überwinden.17 Schließlich zeigte sich, dass Exosomen, die aus Epithelzellen des Hirns gewonnen und mit Krebsmedikamenten geladen wurden, bei Zebrafischen die Blut-Hirn-Schranke durchkreuzen und in Tumorzellen Zytotoxizität auslösen.18 Insgesamt weisen diese Befunde darauf hin, dass Exosomen möglicherweise besonders nützlich für die Arzneimittelabgabe in das Hirn sein könnten. 

Obwohl die exosombasierte Arzneimittelabgabe eine vielversprechende Richtung für Therapeutika darzustellen scheint, müssen noch einige wichtige Fragen beantwortet werden, bevor sie sicher und effizient implementiert werden kann. Zunächst müssen die Prozesse der Exosom-Isolierung und -Reinigung standardisiert werden, um Kontaminanten wie Proteinaggregate zu eliminieren und die Reproduzierbarkeit zu verbessern. Dann müssen Spenderzellen, die eine stabile Exosomquelle darstellen, identifiziert werden, und Exosomen aus diesen Spenderzellen müssen vollständig charakterisiert werden. Schließlich müssen effizientere Prozesse zur Ladung von Arzneimitteln in Exosomen entwickelt werden, um die Abgabe von Therapeutika zu maximieren. 

Literatur

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