Экзосомы стволовых клеток в патофизиологии сердечно-сосудистых заболеваний

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обсуждается современное состояние терапевтического потенциала внеклеточных везикул, который зависит от способов их выделения, их состава, а также характеристик везикулярных и невезикулярных компонентов. Известно, что повреждение миокарда, особенно в результате острого инфаркта миокарда, приводит к необратимой гибели кардиомиоцитов, саркомеров и, в конечном итоге, к сердечной недостаточности. Сердце взрослого человека имеет ограниченную регенеративную способность, вследствие чего стимуляция эндогенных репаративных и регенеративных потенциалов с использованием клеточной терапии имеет потенциальные перспективы. При этом польза от инъекции стволовых клеток и клеток-предшественников в поврежденном миокарде опосредована секретируемыми ими факторами. В частности, экзосомы — наноразмерные секретируемые внеклеточные везикулы эндосомального происхождения — стали ключевыми сигнальными органеллами в межклеточной коммуникации и в настоящее время рассматриваются как ключевой регенеративный компонент секретомы стволовых клеток и клеток-предшественников. Экзосомы, высвобождаемые из кардиальных эмбриональных и мезенхимальных стволовых клеток, резидентных стволовых и прогениторных клеток (включая специфическую подгруппу клеток кардиосфер), индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и выделенных из них кардиомиоцитов, обладают кардиопротекторными, иммуномодулирующими и репаративными способностями. Еще одним перспективным направлением использования экзосом является их применение в направленном транспорте лекарственных средств в липидоподобных наноконтейнерах и внеклеточных везикулах. Так как искусственные носители лекарств, включая липосомы и наночастицы на основе липидов, ограничены потенциальной токсичностью, иммуногенностью и неспособностью нацеливаться на определенные органы, экзосомы имеют хорошие перспективы в качестве потенциальных носителей лекарственных препаратов. Соединения могут транспортироваться как внутри экзосом, так и на их поверхности. В целом секретируемые внеклеточные везикулы, особенно экзосомы, могут считаться ключевым функциональным компонентом секретомы стволовых клеток и особенно кардиогенных клеток-предшественников (мезенхимальных стволовых клеток, эндогенных кардиальных клеток-предшественников, кардиосфер, эмбриональных стволовых клеток костного мозга, индуцированных плюрипотентных стволовых клеток костного мозга). Они продемонстрировали терапевтическую эффективность в доклинических моделях при изучении сердечно-сосудистой патологии.

Об авторах

Aндрей Семенович Рудой

Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси

Email: andrew_rudoy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9010-0264
SPIN-код: 9508-1330

д-р мед. наук, профессор

Белоруссия, Минск

Александр Витальевич Москалев

Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова

Автор, ответственный за переписку.
Email: alexmav195223@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-5659-7464
SPIN-код: 8227-2647

д-р мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Lázár E., Sadek H.A., Bergmann O. Cardiomyocyte renewal in the human heart: insights from the fall-out // Eur Heart J. 2017. Vol. 38, N. 30. P. 2333–2342. doi: 10.1093/eurheartj/ehx343
  2. Nguyen P.K., Rhee J.-W., Wu J.C. Adult stem cell therapy and heart failure, 2000 to 2016: a systematic review // JAMA Cardiol. 2016. Vol. 1, N. 7. P. 831–841. doi: 10.1001/jamacardio.2016.2225
  3. Orlic D., Kajstura J., Chimenti S., et al. Bone marrow cells regenerate infarcted myocardium // Nature. 2001. Vol. 410, N. 6829. P. 701–705. doi: 10.1038/35070587
  4. Balsam L.B., Wagers A.J., Christensen J.L., et al. Haematopoietic stem cells adopt mature haematopoietic fates in ischaemic myocardium // Nature. 2004. Vol. 428, N. 6983. P. 668–673. doi: 10.1038/nature02460
  5. Tompkins B.A., Balkan W., Winkler J., et al. Preclinical studies of stem cell therapy for heart disease // Circ Res. 2018. Vol. 122, N. 7. P. 1006–1020. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.117.312486
  6. Дергилев К.В., Василец Ю.Д., Цоколаева З.И., и др. Перспективы клеточной терапии инфаркта миокарда и сердечной недостаточности на основе клеток кардиосфер // Терапевтический архив. 2020. Т. 92, № 4. С. 111–120. EDN: BCFIOG doi: 10.26442/00403660.2020.04.000634
  7. Makkar R.R., Smith R.R., Cheng K., et al. Intracoronary cardiosphere-derived cells for heart regeneration after myocardial infarction (CADUCEUS): a prospective, randomised phase 1 trial // Lancet. 2012. Vol. 379, N. 9819. P. 895–904. doi: 10.1016/S0140-6736(12)60195-0
  8. Tarui S., Ishigami S., Ousaka D., et al. Transcoronary infusion of cardiac progenitor cells in hypoplastic left heart syndrome: Three-year follow up of the Transcoronary Infusion of Cardiac Progenitor Cells in patients with single-ventricle physiology (TICAP) trial // J Thorac Cardiovasc Surg. 2015. Vol. 150, N. 5. P. 1198–1208.e2. doi: 10.1016/j.jtcvs.2015.06.076
  9. Ishigami S., Ohtsuki S., Eitoku T., et al. Intracoronary cardiac progenitor cells in single ventricle physiology: the PERSEUS (cardiac progenitor cell infusion to treat univentricular heart disease) randomized phase 2 trial // Circ Res. 2017. Vol. 120, N. 7. P. 1162–1173. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.116.310253
  10. Chakravarty T., Makkar R.R., Ascheim D.D., et al. ALLogeneic Heart STem Cells to Achieve Myocardial Regeneration (ALLSTAR) Trial: rationale and design // Cell Transplant. 2017. Vol. 26, N. 2. P. 205–214. doi: 10.3727/096368916X692933
  11. Chakravarty T., Makkar R., Henry T., et al. Multivessel intracoronary infusion of allogeneic derived cardiosphere cells in cardiomyopathy: long term outcomes of the dilated cardiomyopathy intervention with allogeneic myocardially regenerative cells (DYNAMIC STUDY) // J Am Coll Cardiol. 2016. Vol. 68, N. 18-1. ID B332. doi: 10.1016/j.jacc.2016.09.848
  12. Taylor M., Jefferies J., Byrne B., et al. Cardiac and skeletal muscle effects in the randomized HOPE-Duchenne trial // Neurology. 2019. Vol. 92, N. 8. P. 866–878. doi: 10.1212/WNL.0000000000006950
  13. Keerthikumar S., Chisanga D., Ariyaratne D., et al. ExoCarta: a web-based compendium of exosomal cargo // J Mol Biol. 2016. Vol. 428, N. 4. P. 688–692. doi: 10.1016/j.jmb.2015.09.019
  14. Kalra H., Simpson R.J., Hong J., et al. Vesiclepedia: a compendium for extracellular vesicles with continuous community annotation // PLoS Biol. 2012. Vol. 10, N. 12. ID 1001450. doi: 10.1371/journal.pbio.1001450
  15. Kim D.-K., Kang B., Kim O.Y., et al. EVpedia: an integrated database of high-throughput data for systemic analyses of extracellular vesicles // J Extracell Vesicles. 2013. Vol. 2, N. 1. ID 20384. doi: 10.3402/jev.v2i0.20384
  16. Banerjee M.N., Bolli R., Hare J.M. Clinical studies of cell therapy in cardiovascular medicine: Recent developments and future directions // Circ Res. 2018. Vol. 123, N. 2. P. 266–287. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.118.311217
  17. Tang X.-L., Li Q., Rokosh G., et al. Long-term outcome of administration of c-kitPOS cardiac progenitor cells after acute myocardial infarction: transplanted cells do not become cardiomyocytes, but structural and functional improvement and proliferation of endogenous cells persist for at least one year // Circ Res. 2016. Vol. 118, N. 7. P. 1091–1105. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.115.307647
  18. Ibrahim A., Marbán E. Exosomes: fundamental biology and roles in cardiovascular physiology // Ann Rev Physiol. 2016. Vol. 78. P. 67–83. doi: 10.1146/annurev-physiol-021115-104929
  19. Zhang Z.G., Buller B., Chopp M. Exosomes – beyond stem cells for restorative therapy in stroke and neurological injury // Nat Rev Neurol. 2019. Vol. 15, N. 4. P. 193–203. doi: 10.1038/s41582-018-0126-4
  20. Balbi C., Vassalli G. Exosomes: Beyond stem cells for cardiac protection and repair // Stem Cells. 2020. Vol. 38, N. 11. P. 1387–1399. doi: 10.1002/stem.3261
  21. Glembotski C.C. Expanding the paracrine hypothesis of stem cell–mediated repair in the heart: When the unconventional becomes conventional // Circ Res. 2017. Vol. 120, N. 5. P. 772–774. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.116.310298
  22. Théry C., Witwer K., Aikawa E., et al. Minimal information for studies of extracellular vesicles 2018 (MISEV2018): a position statement of the International Society for Extracellular Vesicles and update of the MISEV2014 guidelines // J Extracell Vesicles. 2018. Vol. 7, N. 1. ID 1535750. doi: 10.1080/20013078.2018.1535750
  23. Van Deun J., Mestdagh P., Agostinis P., et al. EV-TRACK: transparent reporting and centralizing knowledge in extracellular vesicle research // Nat Methods. 2017. Vol. 14, N. 3. P. 228–232. doi: 10.1038/nmeth.4185
  24. Sluijter J.P., Davidson S.V., Boulanger C.M., et al. Extracellular vesicles in diagnostics and therapy of the ischaemic heart: Position Paper from the Working Group on Cellular Biology of the Heart of the European Society of Cardiology // Cardiovasc Res. 2018. Vol. 114, N. 1. P. 19–34. doi: 10.1093/cvr/cvx211
  25. Das S., Ansel K.M., Bitzer M., et al. The extracellular RNA communication consortium: establishing foundational knowledge and technologies for extracellular RNA research // Cell. 2019. Vol. 177, N. 2. P. 231–242. doi: 10.1016/j.cell.2019.03.023
  26. Patel G.K., Khan M.A., Zubair H., et al. Comparative analysis of exosome isolation methods using culture supernatant for optimum yield, purity and downstream applications // Sci Rep. 2019. Vol. 9, N. 1. ID 5335. doi: 10.1038/s41598-019-41800-2
  27. Gámez-Valero A., Monguió-Tortajada M., Carreras-Planella L., et al. Size-exclusion chromatography-based isolation minimally alters extracellular vesicles’ characteristics compared to precipitating agents // Sci Rep. 2016. Vol. 6, N. 1. ID 33641. doi: 10.1038/srep33641
  28. Mol E.A., Goumans M.J., Doevendans P.A., et al. Higher functionality of extracellular vesicles isolated using size-exclusion chromatography compared to ultracentrifugation // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2017. Vol. 13, N. 6. P. 2061–2065. doi: 10.1016/j.nano.2017.03.011
  29. Jeppesen D.K., Fenix A.M., Franklin J.L., et al. Reassessment of exosome composition // Cell. 2019. Vol. 177, N. 2. P. 428–445.e18. doi: 10.1016/j.cell.2019.02.029
  30. Zhang H., Freitas D., Kim H.S., et al. Identification of distinct nanoparticles and subsets of extracellular vesicles by asymmetric flow field-flow fractionation // Nat Cell Biol. 2018. Vol. 20, N. 3. P. 332–343. doi: 10.1038/s41556-018-0040-4
  31. Pluchino S., Smith J.A. Explicating exosomes: reclassifying the rising stars of intercellular communication // Cell. 2019. Vol. 177, N. 2. P. 225–227. doi: 10.1016/j.cell.2019.03.020
  32. Миронова О.Ю., Бердышева М.В., Елфимова Е.М. МикроРНК: взгляд клинициста на состояние проблемы. История вопроса // Евразийский кардиологический журнал. 2023. № 1. С. 100–107. EDN: TLEZJR doi: 10.38109/2225-1685-2023-1-100-107
  33. Barile L., Cervio E., Lionetti V., et al. Cardioprotection by cardiac progenitor cell-secreted exosomes: role of pregnancy-associated plasma protein-A // Cardiovasc Res. 2018. Vol. 114, N. 7. P. 992–1005. doi: 10.1093/cvr/cvy055
  34. Valadi H., Ekström K., Bossios A., et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells // Nat Cell Biol. 2007. Vol. 9, N. 6. P. 654–659. doi: 10.1038/ncb1596
  35. Gupta S., Knowlton A.A. HSP60 trafficking in adult cardiac myocytes: role of the exosomal pathway // Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2007. Vol. 292, N. 6. P. H3052–H3056. doi: 10.1152/ajpheart.01355.2006
  36. Bang C., Batkai S., Dangwal S., et al. Cardiac fibroblast–derived microRNA passenger strand-enriched exosomes mediate cardiomyocyte hypertrophy // J Clin Investig. 2014. Vol. 124, N. 5. P. 2136–2146. doi: 10.1172/JCI70577
  37. Wang X., Huang W., Liu G., et al. Cardiomyocytes mediate anti-angiogenesis in type 2 diabetic rats through the exosomal transfer of miR-320 into endothelial cells // J Mol Cell Cardiol. 2014. Vol. 74. P. 139–150. doi: 10.1016/j.yjmcc.2014.05.001
  38. Cheng M., Yang J., Zhao X., et al. Circulating myocardial microRNAs from infarcted hearts are carried in exosomes and mobilise bone marrow progenitor cells // Nat Commun. 2019. Vol. 10. ID 959. doi: 10.1038/s41467-019-08895-7
  39. Loyer X., Zlatanova I., Devue C., et al. Intra-cardiac release of extracellular vesicles shapes inflammation following myocardial infarction // Circ Res. 2018. Vol. 123, N. 1. P. 100–106. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.117.311326
  40. Biemmi V., Milano G., Ciullo A., et al. Inflammatory extracellular vesicles prompt heart dysfunction via TRL4-dependent NF-κB activation // Theranostics. 2020. Vol. 10, N. 6. ID 2773. doi: 10.7150/thno.39072
  41. Elahi F.M., Farwell D.G., Nolta J.A., et al. Preclinical translation of exosomes derived from mesenchymal stem/stromal cells // Stem Cells. 2020. Vol. 38, N. 1. P. 15–21. doi: 10.1002/stem.3061
  42. Yu H., Wang Z. Cardiomyocyte-derived exosomes: biological functions and potential therapeutic implications // Front. Physiol. 2019. Vol. 10. P. 1049. doi: 10.3389/fphys.2019.01049
  43. Ibrahim A.G.-E., Cheng K., Marbán E. Exosomes as critical agents of cardiac regeneration triggered by cell therapy // Stem Cell Rep. 2014. Vol. 2, N. 5. Р. 606–619. doi: 10.1016/j.stemcr.2014.04.006
  44. Gallet R., Dawkins J., Luthringer D., et al. Exosomes secreted by cardiosphere-derived cells reduce scarring, attenuate adverse remodelling, and improve function in acute and chronic porcine myocardial infarction // Eur Heart J. 2017. Vol. 38, N. 3. Р. 201–211. doi: 10.1093/eurheartj/ehw240
  45. Kervadec A., Bellamy V.E., El Harane N., et al. Cardiovascular progenitor-derived extracellular vesicles recapitulate the beneficial effects of their parent cells in the treatment of chronic heart failure // J Heart Lung Transplant. 2016. Vol. 35, N. 6. Р. 795–807. doi: 10.1016/j.healun.2016.01.013
  46. Milano G., Biemmi V., Lazzarini E., et al. Intravenous administration of cardiac progenitor cell-derived exosomes protects against doxorubicin/trastuzumab-induced cardiac toxicity // Cardiovasc Res. 2020. Vol. 116, N. 2. Р. 383–392. doi: 10.1093/cvr/cvz108
  47. Vrijsen K.R., Maring J.A., Chamuleau S.A., et al. Exosomes from cardiomyocyte progenitor cells and mesenchymal stem cells stimulate angiogenesis via EMMPRIN // Adv Health Mater. 2016. Vol. 5, N. 19. Р. 2555–2565. doi: 10.1002/adhm.201600308
  48. Tseliou E., Fouad J., Reich H., et al. Fibroblasts rendered antifibrotic, antiapoptotic, and angiogenic by priming with cardiosphere-derived extracellular membrane vesicles // J Am Coll Cardiol. 2015. Vol. 66, N. 6. Р. 599–611. doi: 10.1016/j.jacc.2015.05.068
  49. Cambier L.Y., de Couto G., Ibrahim A., et al. RNA fragment in extracellular vesicles confers cardioprotection via modulation of IL-10 expression and secretion // EMBO Mol Med. 2017. Vol. 9, N. 3. Р. 337–352. doi: 10.15252/emmm.201606924
  50. Aminzadeh M.A., Rogers R.G., Fournier M., et al. Exosome-mediated benefits of cell therapy in mouse and human models of Duchenne muscular dystrophy // Stem Cell Rep. 2018. Vol. 10, N. 3. Р. 942–955. doi: 10.1016/j.stemcr.2018.01.023
  51. Khan M., Nickoloff E., Abramova T., et al. Embryonic stem cell-derived exosomes promote endogenous repair mechanisms and enhance cardiac function following myocardial infarction // Circ Res. 2015. Vol. 117, N. 1. Р. 52–64. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.117.305990
  52. Wang Y., Zhang L., Li Y., et al. Exosomes/microvesicles from induced pluripotent stem cells deliver cardioprotective miRNAs and prevent cardiomyocyte apoptosis in the ischemic myocardium // Int J Cardiol. 2015. Vol. 192. Р. 61–69. doi: 10.1016/j.ijcard.2015.05.020
  53. Bobis-Wozowicz S., Kmiotek K., Sekula M., et al. Human induced pluripotent stem cell-derived microvesicles transmit RNAs and proteins to recipient mature heart cells modulating cell fate and behavior // Stem Cells. 2015. Vol. 33, N. 9. Р. 2748–2761. doi: 10.1002/stem.2078
  54. Lee W.H., Chen W.-Y., Shao N.-Y., et al. Comparison of non-coding RNAs in exosomes and functional efficacy of human embryonic stem cell-versus induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes // Stem Cells. 2017. Vol. 35, N. 10. Р. 2138–2149. doi: 10.1002/stem.2669
  55. Kenneweg F., Bang C., Xiao K., et al. Long noncoding RNA-enriched vesicles secreted by hypoxic cardiomyocytes drive cardiac fibrosis // Mol Ther Nucleic Acids. 2019. Vol. 18. Р. 363–374. doi: 10.1016/j.omtn.2019.09.003
  56. Agarwal U., George A., Bhutani S., et al. Experimental, systems, and computational approaches to understanding the microRNA-mediated reparative potential of cardiac progenitor cell–derived exosomes from pediatric patients // Circ Res. 2017. Vol. 120, N. 4. Р. 701–712. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.116.309935
  57. Qiao L., Hu S., Zhang H., et al. microRNA-21-5p dysregulation in exosomes derived from heart failure patients impairs regenerative potential // J Clin Investig. 2019. Vol. 129, N. 6. Р. 2237–2250. doi: 10.1172/JCI123135
  58. Davidson S.M., Riquelme J.A., Takov K., et al. Cardioprotection mediated by exosomes is impaired in the setting of type II diabetes but can be rescued by the use of non-diabetic exosomes in vitro // J Cell Mol Med. 2018. Vol. 22, No. 1. Р. 141–151. doi: 10.1111 /jcmm.13302
  59. Kim H., Yun N., Mun D., et al. Cardiac-specific delivery by cardiac tissue-targeting peptide-expressing exosomes // Biochem Biophys Res Commun. 2018. Vol. 499, N. 4. Р. 803–808. doi: 10.1016/j.bbrc.2018.03.227
  60. Ciullo A., Biemmi V., Milano G., et al. Exosomal expression of CXCR4 targets cardioprotective vesicles to myocardial infarction and improves outcome after systemic administration // Int J Mol Sci. 2019. Vol. 20, N. 3. ID 468. doi: 10.3390/ijms20030468
  61. Cheng Y., Zeng Q., Han Q., et al. Effect of pH, temperature and freezing-thawing on quantity changes and cellular uptake of exosomes // Protein Cell. 2019. Vol. 10, N. 4. Р. 295–299. doi: 10.1007/s13238-018-0529-4
  62. Соколов А.В., Костин Н.Н., Овчинникова Л.А., и др. Направленный транспорт лекарственных препаратов в липидоподобных наноконтейнерах и внеклеточных везикулах // Acta Naturae. 2019. Т. 11, №. 2. С. 28–41. EDN: XDCTRD doi: 10.32607/20758251-2019-11-2-28-41
  63. Bunggulawa E.J., Wang W., Yin T., et al. Recent advancements in the use of exosomes as drug delivery systems // J Nanobiotechnol. 2018. Vol. 16. ID 81. doi: 10.1186/s12951-018-0403-9
  64. Sawada S.-I., Sato Y.T., Kawasaki R., et al. Nanogel hybrid assembly for exosome intracellular delivery: Effects on endocytosis and fusion by exosome surface polymer engineering // Biomater Sci. 2020. Vol. 8. P. 619–630. doi: 10.1039/c9bm01232j
  65. Седых С.Е., Тимофеева А.М., Куликова А.Е., Невинский Г.А. Экзосомы молока в качестве агентов доставки терапевтически значимых препаратов при онкологических заболеваниях // Успехи молекулярной онкологии. 2022. Т. 9, № 2. С. 23–31. EDN: XOBUYO doi: 10.17650/2313-805X-2022-9-2-23-31
  66. Andriolo G., Provasi E., Lo Cicero V., et al. Exosomes from human cardiac progenitor cells for therapeutic applications: development of a GMP-grade manufacturing method // Front Physiol. 2018. Vol. 9. ID 1169. doi: 10.3389/fphys.2018.01169
  67. Matsumoto A., Takahashi Y., Chang H.-Y., et al. Blood concentrations of small extracellular vesicles are determined by a balance between abundant secretion and rapid clearance // J Extracell Vesicles. 2020. Vol. 9, N. 1. ID 1696517. doi: 10.1080/20013078.2019.1696517

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Биогенез экзосом (по А.С. Рудому, 2023)

Скачать (581KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Потенциальные механизмы положительных эффектов ВВ, секретируемых эККП и близкородственными клетками кардиосферного происхождения при И/Р повреждении (по А.С. Рудому, 2023)

Скачать (212KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Механизмы повышения специфического нацеливания экзосом (по А.С. Рудому, 2023)

Скачать (265KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024

Ссылка на описание лицензии: https://eco-vector.com/for_authors.php#07

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах