Exosome

Exosomen sind virusgroße (30-100 nm) sezernierte Vesikel der Zellen und einer Doppelschichtmembran. Sie werden ständig von allen Zellen produziert und sekretiert. Exosome stellen einen effektiven Weg der interzellulären Kommunikation dar. Sie enthalten zahlreiche Informationen der Mutterzelle in Form von Proteinen, Lipiden, Enzymen, Transkriptionsfaktoren, DNA-Fragmenten, mRNAs, Mikro-RNAs und lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs). Exosomen werden von verschiedenen Zelltypen freigesetzt, z. B. von Erythrozyten, Thrombozyten, Lymphozyten, dendritischen Zellen (DCs), Adipozyten, Fibroblasten, Gehirnzellen, Stammzellen und Krebszellen.  Exosomen können in Bioflüssigkeiten wie Blut, Plasma, Urin, Zerebrospinalflüssigkeit (CSF), Milch, Fruchtwasser, malignem Aszites, Speichel und Synovialflüssigkeit nachgewiesen werden. Sie spielen eine wichtige Rolle bei den Signalen normaler und pathologischer Prozesse, bei der Kommunikation zwischen Zellen und beim Transport von Substanzen wie Proteinen und RNAs von Spenderzellen zu Empfängerzellen (Gaurav I et al. 2021; Zhang Y et al. 2019). Exosomen sind damit auch an der Pathogenese von Infektions- und degenerativen Krankheiten beteiligt.

Die Biogenese von Exosomen erfolgt durch Einwärtsknospung der Plasmamembran, die das Endosomenvesikel und die multivesikulären Körper (MVBs) bildet. MVBs verschmelzen mit Lysosomen, degradieren oder verschmelzen mit der Plasmamembran und bilden Exosomen, die von den Zellen in den extrazellulären Raum abgegeben werden (Gaurav I et al. 2021). Späte endosomale Strukturen, die zahlreiche intraluminaler Vesikeln (ILVs) enthalten, sind als multivesikulären Körper bekannt, die schließlich zum trans-Golgi-Netzwerk für das Endosomen-Recycling transportiert, an Lysosomen zum Abbau des gesamten mitgeführten Materials abgegeben oder mit der Plasmamembran verschmolzen werden und Exosomen in den extrazellulären Raum freisetzen; dieser Prozess wird durch Rab-GTPasen wie RAB11 und RAB35 erleichtert, die Exosomen freisetzen, die mit Flotillin und anderen zellspezifischen Proteinen angereichert sind (Yue B et al. (2020).

Die Exosomenbiogenese und -sekretion erfordert also die Bildung eines für den Transport erforderlichen endosomalen Sortierkomplexes (ESCRT) (Patil AA et al. 2019). ESCRT besteht aus vier Komplexen (ESCRT-0, ESCRT-I, ESCRT-II und ESCRT-III) und assoziierten Proteinen (VPS4, Tsg101 und ALIX). ESCRT-0 sortiert ubiquitinierte Frachtproteine in die Lipiddomäne; ESCRT-I und ESCRT-II bewirken eine Membrandeformation zur Bildung des stabilen Membranhalses, und die Rekrutierung des Vps4-Komplexes an ESCRT-III führt zur Spaltung des Vesikelhalses und zur Dissoziation und zum Recycling des ESCRT-III-Komplexes (Patil AA et al. 2019).

Im Gegensatz zu ESCRT-sortierten Proteinen, wird das Laden von RNA in Exosomen durch Lipide vermittelt und ist von selbstorganisierenden Fett- und Trägermotiven abhängig. Spezifische Nukleotidsequenzen weisen eine verbesserte Affinität zu Phospholipid-Doppelschichten auf, die von Variablen wie der Lipidmorphologie, hydrophoben Veränderungen und physiologisch konzentriertem Sphingosin in Rafting-Membranen abhängt (O'Brien K et al. (2020).

Interessanterweise verhinderte das Fehlen einer ESCRT-Maschine nicht die Bildung von MVB-Vesikeln in Säugetierzellen, sondern führte zu einer verminderten Verarbeitung ihrer Ladung und zu Veränderungen von Anzahl und -Größe (Hessvik NP et al. (2018).  Die Methoden des Eindringens von Exosomen in Empfängerzellen sind noch nicht ausreichend erforscht worden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass Exosomen je nach Art der Empfängerzelle über Fusion mit der Plasmamembran, Makropinozytose, Phagozytose und Clathrin-abhängige Endozytose in die Zielzellen eindringen.

Die molekularen Mechanismen der Exosomenbiogenese und -sekretion sind Gegenstand der heutigen Forschung. Es gelingt mittels flexibler und skalierbarer Reagenzien intakte Exosomen aus Zellkulturmedien oder beliebigen Körperflüssigkeiten zu isolieren. Diese Produkte und die dazugehörigen Protokolle sind ideal für eine Vielzahl von Experimenten, einschließlich der Verarbeitung geringer Probenmengen und der Handhabung mehrerer Proben. Gesamt-Exosomen, die aus Zellkulturen angereichert wurden (unter Verwendung der Reagenzien für die Gesamt-Exosomen-Isolierung oder durch Ultrazentrifugation), können durch immunmagnetischen Einfang weiter in spezifische Subpopulationen aufgereinigt werden.

1. Gaurav I et al. (2021) Factors Affecting Extracellular Vesicles Based Drug Delivery Systems. Molecules 26:1544.
2. O'Brien K et al. (2020) RNA Delivery by Extracellular Vesicles in Mammalian Cells and its Applications. Nat Rev Mol Cell Biol 21:585–606.
3. Hessvik NP et al. (2018) Current Knowledge on Exosome Biogenesis and Release. Cell Mol Life Sci CMLS  75:193–208.
4. Patil AA et al. (2019) Exosomes: Biogenesis, Composition, Functions, and Their Role in Pre-Metastatic Niche Formation. Biotechnol Bioprocess Eng 24:689–701.
5. Wu X et al. (2021) The Roles of Exosomes as Future Therapeutic Agents and Diagnostic Tools for Glioma. Front Oncol 13: doi.org/10.3389/fonc.2021.733529
6. Yue B et al. (2020) Exosome Biogenesis, Secretion and Function of Exosomal miRNAs in Skeletal Muscle Myogenesis. Cell Prolif 53:e12857.
7. Zhang Y et al. (2019) Exosomes: Biogenesis, Biologic Function and Clinical Potential. Cell Biosci  9:19.