Экзосомы крови как новые биомаркеры инфекционных заболеваний | Агейкин А.В., Горелов А.В., Усенко Д.В., Мельников В.Л.

Введение

Внеклеточные везикулы — биологические мембранные объекты, имеющие размеры менее 1000 нм, главной функцией которых является транспорт различных биологически активных молекул (белков, микроРНК, мРНК, ДНК и т. д.). Они также способны обеспечивать межклеточные взаимодействия и выполнять иные биологические функции. В настоящее время активно изучаются возможности их терапевтического применения при различных патологических состояниях и заболеваниях, в том числе инфекционных.

Накапливаются данные и о том, что внеклеточные везикулы могут применяться для диагностики ряда заболеваний, включая инфекционные. Стремительный рост инфекционной заболеваемости и смертности предполагает выход на новый уровень диагностических мероприятий, имеющих превентивный характер, а также терапевтических мер, направленных на борьбу с социально значимыми заболеваниями. Следовательно, важно изучить особенности каждой из групп внеклеточных везикул, их свойства и характерные признаки, определяющие постановку диагноза. Разработка методов управления внеклеточными везикулами позволит создать мощный диагностический и терапевтический аппарат воздействия на заболевания.

В зависимости от механизмов образования и размеров выделяют 3 основные группы внеклеточных везикул: апоптотические тела, микровезикулы (эктосомы) и экзосомы.

Апоптотические тела малоизученны. Они имеют размеры от 100 нм до 1000 нм (сходные с эктосомами), содержат фосфатидилсерин. Апоптотические тела специально образуются в ходе запрограммированной клеточной смерти для «упаковки» содержимого клетки и часто включают элементы ядерного материала и органеллы [1, 2].

Микровезикулы (эктосомы) представляют собой микрочастицы размерами от 100 нм до 1000 нм. В отличие от клеток, эктосомы не имеют АТФ-зависимых механизмов для поддержания мембраны в асимметричном состоянии, поэтому фосфатидилсерин присутствует на внешнем слое их мембраны постоянно [3]. Именно эктосомы являются главным внеклеточным источником прокоагулянтной активности в плазме крови, которая превышает прокоагулянтную активность тромбоцитов [4].

Экзосомы как третий условный вид внеклеточных везикул представляют особый интерес при рассмотрении механизма развития инфекционных заболеваний.. Это микроскопические внеклеточные везикулы диаметром 30–100 нм, состоящие из липидного бислоя и имеющие однородную чашеобразную форму [5]. На сегодняшний день показано, что они происходят почти из каждого изученного типа клеток, включая Т-клетки [6], В-клетки [7], дендритные клетки [8], нейроны [9], астроциты [10], эндотелиальные клетки [11], клетки гладких мышц [12], олигодендроциты [13] и ретикулоциты [14]. Экзосомы секретируются различными клетками и обнаруживаются в биологических жидкостях человека (сыворотке крови, слезе, слюне, моче, грудном молоке), в том числе и патологических (например, в асцитической жидкости) [15].

Идентификация данных внеклеточных компонентов, а также их градация на группы позволяют сделать заключение о различных свойствах каждого из видов. Если эктосомы возможно идентифицировать с использованием проточной цитометрии, то экзосомы, исходя из их размеров, возможно идентифицировать только с помощью электронной микроскопии.

N. Arraud et al. [16] представили классификацию внеклеточных везикул на основании их морфологии (геометрической формы), исключая деление на эктосомы и экзосомы: сферические, трубчатые и фрагментарные. Кроме того, известно деление всех внеклеточных везикул по происхождению на эритроцитарные, тромбоцитарные, лейкоцитарные.. При идентификации внеклеточных везикул нужно указывать их происхождение, форму, функции.

Патогенетические механизмы взаимодействия экзосом и вирусов

Роль внеклеточных везикул в иммунной межклеточной коммуникации очень велика. Экзосомы как наиболее важные внеклеточные везикулы представляют собой источник вирусного антигена, который можно использовать в качестве биомаркера при вирусных заболеваниях и который в последующем будет нацелен на противовирусную терапию.

Экзосомы обладают возможностью проникать через гематоэнцефалический барьер [17], координируя деятельность иммунной системы в ответ на воздействия вируса [18]. Особенно это актуально, когда идентификация самого вируса сопряжена с определенными сложностями, например, при выявлении нового вида вируса (штамма).

Именно экзосомный биогенез позволит идентифицировать вирус. Поздние эндосомы — мультивезикулярные тела (multivesicular bodies), содержащие внутрипросветные везикулы (intraluminal vesicles, ILVs), являются «донорами» будущих экзосом. Существует 2 последующих пути развития событий. Первый — лизосомальная деградация ILVs. Второй путь — слияние ILVs с плазматической мембраной (своего рода активация) и выход ILVs во внешнюю среду. Это и есть сформировавшиеся экзосомы. Именно в этот момент они способны выступать переносчиками как внутриклеточного, так и внеклеточного материала [19].

Связь с белками ESCRT (endosomal sorting complex required for transport — белковый комплекс, отвеча­ющий за транспорт в процессе эндосомальной сортиров­ки), Alix (адаптерный белок) и TSG 101 (белок гена восприимчивости опухоли 101, Tumor susceptibility gene 101 protein), обогащенными экзосомами, позволяет также оценить транспортные возможности экзосом в рамках эндосомального пути [20].

Оказавшись во внеклеточном пространстве, экзосомы могут связываться с соседними клетками, после чего пассивно проходят через кровь, выполняя паракринную функцию, или же в процессе фагоцитоза метаболизируются в селезенке и печени [21].

Следовательно, патогены, внедряясь на этапе формирования экзосомы в ее структуру, позволяют сделать ее мощным биомаркером заболевания..

Специфические особенности внедрения, взаимодействия и идентификации вирусных экзосом

Все вирусы входят в экзосомы посредством рецептор-опосредованного или клатрин-опосредованного эндоцитоза. На примере вирусов гепатита С (HCV) и Зика последующая миграция вируса осуществляется в поздние эндосомы после слияния c ILVs, после чего вирусный геном экспортируется в цитоплазму [22].

В случае HCV известно, что вирусный геном остается в ILVs и секретируется в экзосомах, где он может выступать в роли инфекционного агента [23, 24]. Такой же механизм свойственен вирусу гепатита А [25].

Кроме того, представляется важным изучение вирулентности самих пораженных экзосом.. Предположение о высвобождении вирионов вместе с экзосомами подтвердилось при исследовании экзосом у пациентов с ВИЧ-инфекцией [26], что позволило сделать вывод о существовании экзосомного способа передачи вирусных инфекций.

Существует и другая особенность экзосом. При исследовании их свойств установлено, что семейство Bunyaviruses, а именно флебовирусы, способны на ранней стадии заболевания изолировать клетки от экзосом, что достигается благодаря апоптотической гибели экзосом для устойчивости иммунитета.. В этом случае экзосомы обнаруживаются намного раньше, еще до момента высвобождения вирионов [27].

Также у экзосом есть несколько свойств, присущих некоторым вирусам. Эти свойства включают биогенез, поглощение молекулярных компонентов клетками и экзосом-опосредованный межклеточный перенос функциональных РНК, мРНК и клеточных белков [28]. Различия между экзосомами и некоторыми вирусами заключаются в их саморепликации после заражения новых клеток, временной регуляции вирусной экспрессии и сложности проникновения вируса [29]. Такой механизм свойственен ретровирусам — РНК-вирусам с оболочкой, которые распадаются на плазматической мембране инфицированных клеток [30] и используют обратную транскриптазу для превращения их из одноцепочечной РНК в двухцепочечную ДНК. Это позволяет обратной транскриптазе интегрироваться в геном инфицированных клеток [31].

Наиболее изученным ретровирусом, поражающим человека, является ВИЧ-1 [32]. На сегодняшний день потенциальные функции экзосом, секретируемых при инфекциях ВИЧ-1 и ВИЧ-2, только начинают изучаться. ВИЧ-1 и ВИЧ-2 имеют одинаковые пути передачи [33]. Экзосомы демонстрируют сходные молекулярные и структурные характеристики с ВИЧ-1 и ВИЧ-2. Они оба окружены липидным бислоем. Их размер и плотность [34] варьируют от 50 нм до 150 нм в диаметре [35] и от 1,13 г/мл до 1,21 г/мл [36] соответственно.. Кроме того, они оба состоят из разных видов РНК, углеводов [37], липидов [38] и белков. Экзосомы, полученные из ВИЧ-инфицированных клеток, усиливаются вирусными РНК и белком NEF [39].

Вышеуказанные данные доказывают, что ВИЧ-1 может продуцироваться одинаковыми путями экзосомного биогенеза [40].

Терапевтические эффекты экзосом

Экзосомы могут быть использованы в качестве терапевтических агентов для модуляции иммунных реакций [21]. Экзосомы опосредуют межклеточное общение через врожденные и адаптивные иммунные реакции [41]. Разнообразие клеток (В- и Т-лимфоциты и дендритные клетки) иммунной системы высвобождают везикулы экзосом, проявляющие иммуномодулирующие свойства [41].

Кроме того, исследователи и клиницисты изучают экзосомы с целью использования их как систем для доставки лекарственных препаратов [42].

На некоторых моделях in vivo возможности применения экзосом, полученных из стволовых клеток, для терапевтических целей уже были показаны.. Изучается возможность применения экзосом для лечения многих заболеваний и расстройств, таких как сердечно-сосудистые заболевания, болезни почек и печени [43]. Также выявлена эффективность их применения для заживления ран и регенерации тканей [44]. В отношении сердечно-сосудистых заболеваний (в том числе связанных с инфекционными агентами) в доклинических исследованиях продемонстрирована эффективность экзосом из кардиопотентных клеток в ограничении зоны поражения миокарда и улучшении его функции [45].

Что касается регенерации миокарда, экзосомы, выделенные из кардиопотентных клеток, могут способствовать пролиферации кардиомиоцитов, что доказано на примере инъекции их мышам при исследовании модели ишемического повреждения [46]. Это может быть интересно в случае возникновения сосудистого воспаления в ответ на внедрение вируса (например, при миокардите), а также для описания вирусной модели возникновения и развития атеросклеротического процесса.

Кроме того, ишемическое прекондиционирование с помощью экзосом может стимулировать пролиферацию, миграцию и образование стволовых клеток сердца [47]. M. Khan et al. [48] сообщили, что полученные из стволовых клеток экзосомы, доставляемые при внутримиокардиальном введении мышам с экспериментальным инфарктом миокарда, обеспечивали неоваскуляризацию и повышали выживаемость кардиомиоцитов с последующей пролиферацией новых клеток. Также было показано, что экзосомы, полученные из мезенхимальных стволовых клеток пуповины человека, могут защищать некоторые клетки миокарда от апоптоза, способствуя при этом ангиогенезу [49]. Были продемонстрированы положительные эффекты экзосом в отношении регенерации печени in vivo.

Таким образом, исследуя экзосомы в диагностическом и терапевтическом аспектах, необходимо уделять внимание тканевой тропности каждого из компонентов. Выявление специфических признаков заболевания и знание этиопатогенеза позволят вывести использование экзосом в лечебно-диагностической практике на новый уровень..

Выводы

Экзосомы на сегодняшний день являются малоизученным диагностическим и терапевтическим аппаратом.. Вместе с тем установлены их преимущества:

Экзосомы — новый биомаркер инфекционных заболеваний.

Идентификация экзосом — способ ранней, довирулентной, превентивной диагностики инфекционного процесса, в том числе в латентной стадии.

Идентификация экзосом и их анализ — потенциальный способ обоснования патогенеза при аутоиммунных и вирус-ассоциированных заболеваниях, при которых причинно-следственную связь сложно или невозможно установить.

Идентификация экзосом позволяет выявить белки и патогенетическое звено, на которое действует вирус, с последующим терапевтическим воздействием на него.

Экзосомы могут служить инструментом для скрининга пациентов с инфекционными заболеваниями.

Возможно, экзосомы смогут обеспечить этиопатогенетическое лечение многих заболеваний.

Дальнейшие исследования в данной области позволят резко повысить качество оказания медицинской помощи больным инфекционного профиля.

Сведения об авторах:

Агейкин Алексей Викторович — ассистент кафедры микробиологии, эпидемиологии и инфекционных болезней ФГБОУ ВО «ПГУ»; 440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, д. 40; ORCID iD 0000-0001-5092-4744.

Горелов Александр Васильевич — член-корреспондент РАН, д.м.н., профессор, заместитель директора по научной работе ФБУН ЦНИИ Эпидемиологии Роспотребнадзора; 111123, Россия, г. Москва, ул.. Новогиреевская, д. 3А; заведующий кафедрой инфекционных болезней
и эпидемиологии ФГБОУ ВО МГМСУ им. А.И. Евдокимова; 127473, Россия, Москва, ул. Делегатская, д. 20, стр. 1; ORCID iD 0000-0001-9257-0171.

Усенко Денис Валериевич — д.м.н., руководитель образовательного центра, ведущий научный сотрудник клинического отдела инфекционной патологии ФБУН ЦНИИ Эпидемиологии Роспотребнадзора; 111123, Россия, г. Москва, ул. Новогиреевская, д. 3А; ORCID iD 0000-0001-5232-7337.

Мельников Виктор Львович — д.м.н., заведующий кафедрой микробиологии, эпидемиологии и инфекционных болезней ФГБОУ ВО «ПГУ»; 440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40; ORCID iD 0000-0002-2175-5547.

Контактная информация: Агейкин Алексей Викторович, e-mail: AgeykinAV@yandex.ru.

Прозрачность финансовой деятельности: никто из авторов не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах.

Конфликт интересов отсутствует.

Статья поступила 05.07.2021.

Поступила после рецензирования 28.07.2021.

Принята в печать 20.08.2021.

About the authors:

Alexey V. Ageykin — Assistant of the Department of  Microbiology, Epidemiology and Infectious Diseases, Penza State University; 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-5092-4744.

Alexander V. Gorelov — Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sc. (Med.), Professor, Deputy Director of Science, Central Research Institute of Epidemiology of the Russian Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Well-Being; 3A, Novogireevskaya str., Moscow, 111123, Russian Federation; Head of the Department of Infectious Diseases and Epidemiology, A.I. Yevdokimov Moscow State University of Medicine and Dentistry; 20/1, Delegatskaya str., Moscow, 127473, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-9257-0171.

Denis V. Usenko — Dr. Sc. (Med.), Head of the Educational Center, Leading Researcher of the Clinical Department of Infectious Pathology, Central Research Institute of Epidemiology of the Russian Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Well-Being; 3A, Novogireevskaya str., Moscow, 111123, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-5232-7337.

Viktor L. Melnikov — Dr. Sc. (Med.), Head of the Department of Microbiology, Epidemiology and Infectious Diseases, Penza State University; 40, Krasnaya str., Penza, 440026, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-2175-5547.

Contact information: Alexey V. Ageykin, e-mail: AgeykinAV@yandex.ru.

Financial Disclosure: no authors have a financial or property interest in any material or method mentioned.

There is no conflict of interests.

Received 05.07.2021.

Revised 28.07.2021. 

Accepted 20.08.2021.