Когда-то считавшиеся просто микроскопическими мешками клеточного «мусора», теперь понимают, что экзосомы имеют огромное значение для нашего здоровья. Отток исследований в последние годы даже показал, что они могут транспортировать молекулы, которые связаны с распространением рака и нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера. Однако до недавнего времени их роль в развитии мозга оставалась загадкой.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Hollis Cline, PhD, и ее коллеги из Scripps Research начинают устранять этот пробел в знаниях, показывая, что экзосомы не только являются неотъемлемой частью развития нейронов и нейронных цепей, но и могут восстанавливают здоровье клеток головного мозга, пораженных болезнью развития.
«На разных стадиях развития мозга передача сигналов между клетками абсолютно необходима», – говорит Клайн, сопредседатель отдела нейробиологии Scripps Research и директор Центра нейробиологии Дорриса. «Мы обнаружили, что экзосомы – это один из способов передачи этих сигналов клетками."
Наши тела используют сферические контейнеры, называемые «пузырьками», для перемещения различных материалов внутри клеток и между ними.
Экзосомы – это тип везикул, специально предназначенный для транспортировки различных биологических грузов – липидов, белков, РНК – из одной клетки в другую. Исследование Клайна установило, что белки, в частности, несут ответственность за передачу сигналов от клетки к клетке экзосом.
Ее исследовательская группа изучила экзосомы из здоровых человеческих нейронов и из модели болезни – синдрома Ретта, генетически обусловленного нарушения развития мозга, которое вызывает симптомы, похожие на аутизм.
Пранав Шарма, доктор философии, нейробиолог из лаборатории Клайна, разработал эксперименты для четкого определения и сравнения биоактивности экзосом здоровых и больных нейронов.
С помощью нескольких клеточных и функциональных анализов они обнаружили, что экзосомы, затронутые Реттом, не содержали никаких вредных белков, но также не имели важных сигнальных белков, обнаруженных в здоровых экзосомах. «У них не было плохих вещей, но не хватало хороших», – говорит Шарма.
В рамках эксперимента команда использовала технологию редактирования генов CRISPR для исправления мутации, вызывающей синдром Ретта, а затем проверила, были ли в результате восстановлены сигнальные функции нервных экзосом. «Исправление мутации полностью изменило недостатки», – говорит Шарма.
Они также проверили, будет ли добавление здоровых экзосом к модели синдрома Ретта в чашке для культивирования оказывать терапевтический эффект. Это сделал.
«Это было, пожалуй, нашим самым захватывающим открытием: экзосомы из здоровых клеток действительно могут восстанавливать нарушения развития нервной системы в клетках с синдромом Ретта», – сказал Клайн. "Мы считаем это очень многообещающим, поскольку многие расстройства нервной системы нуждаются в лечении. Это расстройства, в отношении которых у нас уже есть глубокое понимание основных недостатков генов, но все еще отсутствует терапия для лечения самого заболевания."
Шарма говорит, что исследование опиралось на человеческие нейроны, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) от пациентов с Реттом.
Для этого аспекта эксперимента команда использовала опыт Алиссон Муотри, доктора философии, невролога и специалиста по стволовым клеткам из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Чтобы получить обширные и поддающиеся количественной оценке протеомные данные, необходимые для характеристики экзосом, команда сотрудничала с несколькими другими специалистами из Scripps Research, в том числе с пионером масс-спектрометрии Джоном Йейтсом III, доктором философии, и ученым Дэниелом Макклатчи, доктором философии, в лаборатории Йейтса.
«Мозг – очень сложный орган, а нейроны сложнее нормальных клеток», – говорит Шарма. «Мы не хотели теряться в сложности, поэтому мы решили использовать редукционистский подход, чтобы проверить, на что способны эти везикулы и что они содержат."
Они также вводили здоровые экзосомы в гиппокамп мыши – область мозга, участвующую в обучении и памяти – и наблюдали повышенную пролиферацию нейронов. Этот аспект исследования in vivo доказал, что биоактивность экзосом, наблюдаемая в культурах клеток, переносится на модель на животных.
Вооруженные своими замечательными открытиями, Клайн и ее команда теперь намерены глубже изучить их результаты и изучить множество новых вопросов, связанных с биоактивностью экзосом и потенциальными клиническими применениями: можно ли измерить экзосомы в анализе крови для выявления заболевания или эффективности лечения?
Применимы ли эти результаты к расстройствам аутистического спектра (РАС) и другим заболеваниям нервной системы, таким как Fragile X? Может ли терапия на основе экзосом однажды помочь пациентам с заболеваниями головного мозга?
«Это исследование имеет огромное значение для лечения многих заболеваний, связанных с развитием мозга», – говорит Клайн. "Это очень интересная биология, и многие ученые были в восторге от ее возможностей."