Scarti. Questa fu, circa trent’anni fa, la prima definizione che gli venne data. Materiale di scarto che le cellule gettavano nella matrice extracellulare. Nessuno sicuramente, a quel tempo, poteva immaginare il grande potenziale che quelle piccole vescicole potessero avere. Nessuno poteva immaginare che in quel “garbage bins” (definizione inglese) potesse esserci impacchettato un mondo: gli esosomi.
Classificazione
Gli esosomi rappresentano una delle classi delle cosiddette vescicole extracellulari. Le vescicole extracellulari sono classificate in tre gruppi tipicamente basati sulla loro dimensione e biogenesi:
- Esosomi (30–200 nm), di origine endocitica.
- Microvescicole (MV) (100– 1000 nm), prodotti per gemmazione dalla membrana plasmatica
- Corpi apoptotici (> 1000 nm) [5, 21–24], rilasciati da cellule che vanno incontro ad apoptosi.
Ulteriori parametri utili alla loro classificazione sono rappresentati dalla composizione e marcatori specifici (Figura 1).
In particolare, gli esosomi (Figura 2) sono caratterizzati da una membrana a doppio strato di forma sferoidale, costituita da:
- Una componente lipidica (sfingomielina, colesterolo e cerammidi) in grado di influenzare il loro trasporto, la struttura, il rilascio e la loro segnalazione.
- Proteine di membrana (che conferiscono anche la specificità della classe), come membri della famiglia delle tetraspanine (CD9, CD63, CD81), le endosomal sorting complex required for transport (ESCRT), alix e flotelin, actina, integrine, MHCI, MHCII ecc.
Contenuto e microRNA
Al loro interno, invece, sono caratterizzati dalla presenza di proteine e complessi di acidi nucleici come DNA, mRNA e microRNA. In particolare questi ultimi, rappresentano l’elemento preponderante nel contenuto esosomico ed è per questo motivo che queste piccole strutture hanno attirato poi l’attenzione della comunità scientifica.
I microRNA sono delle piccole sequenze di RNA non codificante (18-22 nt) che giocano un ruolo molto importante nell’ omeostasi, regolazione dell’espressione genica, comunicazione cellula- cellula ma anche in condizioni patologiche come processi infiammatori e tumerogenesi.
Lo studio di queste piccole sequenze ha permesso di identificare gli esosomi, non più come scarti cellulari ma come dei veri e propri veicoli in grado di impacchettare un messaggio, costituito da proteine funzionali, metaboliti o microRNA, trasmesso da una cellula donatrice ad una ricevente. Non è tutto, con il progredire delle ricerche scientifiche ci si è resi conto che, in realtà, non fossero solo le nostre cellule ad essere in grado di inviare questi messaggi, ma anche i patogeni (virus, parassiti, batteri).
Queste microvescicole oggi sono al centro di molteplici studi scientifici atti a comprendere le dinamiche di nuove comunicazioni cellula-cellula e cellula-patogeno. In particolare essi, hanno generato un notevole interesse nelle applicazioni cliniche, come biomarkers diagnostici o come terapie innovative.
Biogenesi
All’interno delle nostre cellule (e quelle di altri organismi) vi è un sistema endosomiale costituito da compartimenti specializzati definiti endosomi tardivi. Quest’ultimi, a loro volta, sono costituiti da vescicole intraluminali (ILVs).
Dall’invaginazione, per endocitosi, di un tratto della membrana plasmatica, si viene a creare un’endosoma precoce che, successivamente tenderà a maturare in un’endosoma tardivo. Quest’ultimo sarà caratterizzato da ILVs contenenti proteine, lipidi, acidi nucleici derivanti a loro volta da citosol e dall’apparato di Golgi.
Una volta giunti a maturazione, questi corpi multivescicolari (MVB), tramite un network di microtubuli e citoscheletro, vengono trainati verso la membrana cellulare dove, per esocitosi, si andranno a fondere con essa, rilasciano ILVs che diventeranno esosomi (Figura 3).
Biodistribuzione e ricezione da parte della cellula bersaglio
Gli esosomi possono essere rilasciati localmente ed a livello sistemico da diverse tipologie cellulari come cellule dendritiche, macrofagi, cellule epiteliali, mesenchimali e tumorali. La presenza di queste vescicole è stata riscontrata in diversi fluidi corporei come sangue, siero, urine, saliva ed anche nel latte materno.
Una volta rilasciati nella matrice extracellulare, I ligandi transmembrana sulla superficie dell’esosoma possono interfacciarsi direttamente ai recettori di superficie della cellula ricevente, innescando una cascata di segnali a valle per attivarla. A questo punto, l’esosoma può fondersi con la membrana cellulare ed il suo contenuto viene rilasciato all’interno della cellula, svolgendo funzioni molto interessanti che vedremo nei successivi paragrafi.
Esosomi e condizioni fisiologiche
Gli esosomi partecipano al mantenimento della normale fisiologia del nostro corpo.
Riparazione tissutale
Sono coinvolti nel mantenimento di cellule staminali e riparazione dei tessuti. Studi recenti mostrano come, esosomi rilasciati dalle cellule staminali vadano ad agire sulle cellule del tessuto per indurre una rigenerazione post-insulto. In aggiunta, le cellule epatiche sono in grado di rilasciare esosomi che favoriscono la rigenerazione degli epatociti. E’ stato dimostrato inoltre che, dopo un danno a livello del parenchima, le cellule epiteliali incrementino il rilascio di esosomi contenenti una maggior concentrazione di TGF-B in modo tale da indurre i fibroblasti a rigenerare il tessuto leso.
Attività immunomodulante
Gli esosomi sono dotati di una grande attività immunomodulante. È stato dimostrato che questi siano un potente veicolo per il mantenimento della comunicazione tra cellule dendritiche e Linfociti T e che siano inoltre in grado di promuovere la proliferazione e la sopravvivenza delle cellule ematopoietiche e l’attivazione delle NK.
Capacità antinfiammatoria
Queste microvescicole extracellulari sono caratterizzate da potenti capacità antiinfiammatorie. L’infiammazione è un processo importante per il mantenimento dell’ omeostasi nei sistemi cellulari ma necessita di essere sempre bilanciata. Quando ciò non avviene, l’infiammazione sistemica e cronica rappresentano una componente essenziale nella patogenesi di diverse malattie.
Gli esosomi sembrano svolgere un ruolo cruciale nei processi infiammatori e nella regolazione di essi attraverso molecole come proteine e soprattutto miRNA in grado di andare ad influenzare l’espressione genica delle cellule bersaglio.
Studi scientifici mostrano come esosomi contenenti il microRNA miR-181c, siano in grado di sopprimere l’espressione del recettore Toll-like 4 (TLR-4), downregolando successivamente i livelli di TNF-α e IL-1β nell’infiammazione indotta da ustione.
Esosomi contenenti miR-150-5p e miR-142-3p rilasciati da cellule dendritiche (DC) aumentano l’espressione di interleuchina 10 (IL-10) e tendono a diminuire l’espressione di IL-6. Ancora, quando arricchiti con miR-138 proteggono dall’infiammazione diminuendo l’espressione di NF-κB, un fattore trascrizionale in grado di regolare, a sua volta, l’espressione di citochine infiammatorie come TNF-α e IL-1.
Esosomi e malattie infettive
Queste meravigliose caratteristiche e funzionalità degli esosomi però non giocano sempre a nostro favore. Purtroppo questi messaggeri non vengono prodotti solo dalle nostre cellule, ma sono un potente mezzo di comunicazione sfruttato anche dai microrganismi per inviare messaggi criptati al loro ospite.
Esosomi e virus
Gli esosomi secreti dalle cellule infettate da virus trasportano principalmente molecole cargo come proteine virali, RNA genomico, mRNA, miRNA ed elementi di regolazione genetica. Queste molecole sono coinvolte nell’alterazione del comportamento delle cellule riceventi, nella regolazione delle risposte cellulari, nell’immunomodulazione andando a facilitare l’infezione da parte di vari tipi di virus.
Ad esempio, esosomi derivanti da pazienti malati di HIV, favoriscono l’ingresso del virus in linee cellulari monocitiche e T umane attraverso le proteine esosomiali tetraspanina CD9 e CD81. In aggiunta, il siero di topi infettati da virus dell’influenza mostrano livelli significativi di miR-483-3p, che aumenta l’espressione dei geni delle citochine pro-infiammatorie e la patogenesi di Infezione da virus influenzale H5N1 a livello dell’endotelio vascolare, aggravando il quadro clinico della situazione.
Esosomi e parassiti
Studi scientifici condotti su diverse tipologie di parassiti hanno confermato che anche questi organismi siano in grado di produrre vescicole extracellulari con attività davvero sorprendenti. Ad esempio, in alcuni nematodi come T. muris, è stato dimostrato come gli esosomi abbiano un’elevata attività immunomodulante in grado di andare a downregolare la risposta immunitaria dell’ospite, facilitando la sopravvivenza del parassita all’interno di esso.
Esosomi e batteri
A quanto pare anche questi piccoli esserini sono in grado di comunicare tramite vescicole extracellulari. Anzi molto di più, in molti casi sembrerebbe che gli esosomi potrebbero servire come veicoli atti ad amplificare i meccanismi patogenetici del batterio stesso. Ad esempio, uno studio svolto su M. tubercolosis, ha mostrato come macrofagi infettati siano in grado di rilasciare esosomi contenenti antigeni batterici altamente immunogenici, in grado di attivare macrofagi, cellule dendritiche e linfociti T. Questa evidenza, pone tali microvescicole al centro della patogenesi della tubercolosi ed offre una nuova visione nell’utilizzo di questi per preparazioni vaccinali innovative.
Esosomi e cancro
Esosomi rilasciati da cellule tumorali influenzano il microambiente tumorale locale e sono criticamente coinvolti nell’iniziazione, nella crescita, progressione e metastasi tumorale mediante il trasferimento di proteine oncogene e acidi nucleici.
Una volta rilasciate, queste microvescicole viaggiano a siti lontani per promuovere la generazione della nicchia pre-metastatica, favorendo l’angiogenesi ed inducendo il differenziamento delle cellule endoteliali e stromali. Tutto ciò favorisce la formazione di un ambiente pro-tumorale ed allo stesso tempo, si hanno effetti immunosoppressivi atti a favorire l’evasione del sistema immunitario.
Come?
Tramite l’induzione dell’apoptosi in cellule T citotossiche, la compromissione della proliferazione delle cellule NK ed uno shift di differenziamento delle cellule T-helper verso il fenotipo T-regolatore.
Gli esosomi di natura tumorale sono anche responsabili del reclutamento e dell’attivazione dei macrofagi associati al tumore (TAM). I TAM supportano diversi fenotipi all’interno del tumore primario, tra cui crescita, angiogenesi e invasione, secernendo diverse proteasi pro-tumorigeniche, citochine, e fattori di crescita.
Potenziali biomarkers
Come spesso accade nella scienza, le potenzialità di questi microscopici mezzi di comunicazione sono state sfruttate a nostro favore, soprattutto nell’ambito diagnostico. La ricerca scientifica sta approfondendo sempre di più lo studio degli esosomi come biomarkers precoci in diverse patologie quali: malattie cardiovascolari, malattie del sistema nervoso centrale, cancro, ed altre importanti malattie a carico del fegato, rene e polmone.
In particolare, grandi passi avanti si stanno svolgendo nell’ambito della tumerogenesi. Esosomi che trasportano specifici miRNA o gruppi di miRNA possono essere utilizzati come marker diagnostici per rilevare il cancro in fase precoce in modo tale da rendere la prognosi più favorevole, oltretutto la metodica risulterebbe molto poco invasiva poiché queste piccole vescicole sono presenti in tutti i fluidi corporei.
Ad esempio,
- miR-21 è considerato un marker diagnostico per vari tipi di cancro tra cui glioblastomi e pancreas, colon-retto, colon, fegato, tumori della mammella, dell’ovaio e dell’esofago.
- miR-146a e miR-34a, funzionano come strumenti diagnostici per rilevare la formazione di neoplasie a livello del fegato, seno, colon, pancreas e neoplasie ematologiche.
- Esosomi isolati e purificati da plasma prelevato da pazienti, arricchiti per miR-10b-5p, miR-101-3p, miR-143-5p sono stati identificati come potenziali diagnostici marcatori per cancro gastrico con metastasi linfonodali, cancro gastrico con metastasi ovariche e cancro gastrico con metastasi epatiche, rispettivamente. Davvero sorprendente.
Una nuova frontiera nell’ambito terapeutico
Gli esosomi sono facili da manipolare, hanno una composizione molecolare favorevole ed una immunogenicità innata, inoltre si prestano al trasferimento di geni o proteine in cellule bersaglio. Tutto ciò fa di loro dei potenziali nuovi mezzi terapeutici.
Immunoterapia
Esosomi rilasciati da cellule del cancro del colon contengono gli antigeni altamente immunogenici. Studi su modelli animali hanno dimostrato che somministrazioni di esosomi contenenti antigeni derivati dal tumore inducono potenti risposte delle cellule T antitumorali e di regressione tumorale.
Terapia contro malattie autoimmuni
Grazie alle loro attività immunomodulanti ed anti-infiammatorie, alcuni esosomi, ad esempio quelli rilasciati da parassiti, potrebbero essere ingegnerizzati al fine di essere utilizzati come terapie contro malattie autoimmuni. Uno studio condotto su modelli murini affetti da IBD ha mostrato come gli esosomi rilasciati dal parassita F. hepatica, siano in grado di migliorare l’output e la sintomatologia della malattia.
Drug delivery e malattie neurodegenerative
Non è finita qui, perché è stato dimostrato un loro potenziale applicativo anche in malattie neurodegenerative. Esosomi derivanti da cellule dendritiche modificate con la glicoproteina RVG, derivante dal virus della rabbia, sono in grado di avere un’azione soppressiva nei confronti di BACE1 a livello del cervello, uno dei target coinvolti nella malattia di Alzheimer.
Al tempo stesso, Esosomi arricchiti con catalasi hanno mostrato un effetto neuroprotettivo in un modello murino di Parkinson. Inoltre, è stato dimostrato che microvescicole arricchite in dopamina abbiano una migliore penetrazione a livello cerebrale rispetto alla dopamina libera, conferendo a questi potenti mezzi di comunicazione un’applicazione terapeutica in questo ambito.
Scarti. Questa fu, circa trent’anni fa, la prima definizione che gli venne data.
Trent’anni dopo, è forse lecito chiedersi se siano essi stessi l’arma giusta per scartare e vincere le eterne guerre contro i nostri più grandi nemici?
Ilaria Bellini
Fonti:
- Figura 1 e 2: Gurung et al. Cell Commun Signal (2021) 19:47. https://doi.org/10.1186/s12964-021-00730-1
- Figura 3: Gurunathan S, Kang MH, Kim JH. A Comprehensive Review on Factors Influences Biogenesis, Functions, Therapeutic and Clinical Implications of Exosomes. Int J Nanomedicine. 2021;16:1281-1312. https://doi.org/10.2147/IJN.S291956
- Immagine in evidenza: https://www.genengnews.com/insights/engineering-exosomes-for-clinical-applications/
- Mohammed H. Rashed et al. Int. J. Mol. Sci. 2017, 18, 538; doi:10.3390/ijms18030538
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4304727/
- Roig J, Saiz ML et al. (2018) Extracellular Vesicles From the Helminth Fasciola hepatica Prevent DSS-Induced Acute
Ulcerative Colitis in a T-Lymphocyte Independent Mode. Front. Microbiol. 9:1036. doi: 10.3389/fmicb.2018.01036.
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