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25. Juli 2024 Science

Exosomen: Intime Post an Zellen

Was sind Exosomen und wofür werden sie angewandt?

Einführung in die Welt der Exosomen

Exosomen sind kleine, membranumhüllte Vesikel, die von nahezu allen Zelltypen im Körper freigesetzt werden und eine Größe von etwa 30 bis 150nm aufweisen. Diese Nanopartikel spielen eine wichtige Rolle in der interzellulären Kommunikation und enthalten eine Vielzahl von bioaktiven Molekülen wie Proteine, Lipide und RNA. Durch den Transport dieser Moleküle können Exosomen verschiedene physiologische und pathologische Prozesse beeinflussen. Zudem können Exosomen in verschiedenen biologischen Flüssigkeiten wie Blut, Urin, Speichel und Zellkulturmedien gefunden werden.

Entdeckung und biogene Eigenschaften

Die Entdeckung der Exosomen geht auf die 1980er Jahre zurück, als Forscher beobachteten, dass bestimmte Zelltypen kleine Vesikel in das umgebende Medium abgeben [1,2]. Zunächst wurden diese Vesikel als "Abfallprodukte" der Zelle betrachtet, bis ihre Rolle in der Zellkommunikation erkannt wurde. Diese frühen Studien legten den Grundstein für die Erforschung der biogenen Mechanismen und Funktionen der Exosomen.

Heute wissen wir, dass sie durch einen mehrstufigen Prozess entstehen, der mit der Bildung intraluminaler Vesikel (ILVs) in multivesikulären Körpern (MVBs) beginnt. Die MVBs fusionieren dann mit der Plasmamembran und setzen die ILVs als Exosomen in den extrazellulären Raum frei [3,4]. Im Detail beginnt die Biogenese der Exosomen mit der Knospung von Endosomen innerhalb der Zelle, wobei intraluminale Vesikel entstehen. Diese Vesikel enthalten spezifische Proteine und Lipide, die während der Knospung selektiv angereichert werden. Die intraluminalen Vesikel sammeln sich im MVB und werden schließlich als Exosomen freigesetzt, wenn der MVB mit der Zellmembran fusioniert [3,4].

Funktionen und Bedeutung

Exosomen haben eine Vielzahl von Funktionen, die auf ihrer Fähigkeit basieren, bioaktive Moleküle zwischen Zellen zu transportieren. Einige der wichtigsten Funktionen umfassen [5-9]:

Interzelluläre Kommunikation: Exosomen übertragen Proteine, Lipide und RNA von einer Zelle zur anderen, was die Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht. Dies ist besonders wichtig in komplexen Prozessen wie der Immunantwort, der Geweberegeneration und der Tumorentwicklung.
Immunsystem: Exosomen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation des Immunsystems. Sie können Antigene präsentieren und somit die Aktivierung von Immunzellen fördern oder hemmen.
Tumorbiologie: In der Tumorbiologie sind Exosomen an der Förderung des Tumorwachstums und der Metastasierung beteiligt. Tumorzellen setzen Exosomen frei, die das Tumormikromilieu verändern und die Ausbildung neuer Blutgefäße fördern können.
Regeneration und Heilung: Exosomen, die von Stammzellen freigesetzt werden, fördern die Regeneration und Heilung von Geweben. Sie tragen zur Zellproliferation und -differenzierung bei und verbessern die Gewebereparatur.

Anwendungen in der Wissenschaft

Exosomen haben in den letzten Jahren großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geweckt, insbesondere wegen ihres Potenzials in der Diagnostik und Therapie. Einige der bedeutendsten Anwendungen umfassen [10]:

Diagnostische Biomarker: Exosomen enthalten spezifische Moleküle, die als Biomarker für verschiedene Krankheiten dienen können. Durch die Analyse von Exosomen aus Körperflüssigkeiten wie Blut oder Urin können frühe Anzeichen von Krankheiten wie Krebs, neurodegenerative Erkrankungen und kardiovaskuläre Erkrankungen erkannt werden.
Therapeutische Anwendungen: Exosomen bieten ein vielversprechendes Werkzeug für die gezielte Abgabe von Therapeutika. Sie können modifiziert werden, um spezifische Moleküle wie Medikamente, RNA oder Proteine zu enthalten, die gezielt an bestimmte Zellen oder Gewebe abgegeben werden.
Regenerative Medizin: In der regenerativen Medizin werden Exosomen verwendet, um die Heilung und Regeneration von Geweben zu fördern. Stammzellen-Exosomen haben gezeigt, dass sie die Reparatur von Herz-, Nerven- und Muskelgewebe unterstützen können.
Immuntherapie: Exosomen können verwendet werden, um das Immunsystem zu modulieren. Sie können als Impfstoffe eingesetzt werden, um eine gezielte Immunantwort gegen Infektionen oder Tumore zu induzieren.

Herausforderungen und zukünftige Perspektiven

Trotz ihres vielversprechenden Potenzials stehen die Exosomenforschung und ihre Anwendungen vor mehreren Herausforderungen. Eine der größten Hürden ist die Standardisierung und Skalierung der Isolations- und Charakterisierungsmethoden [11]. Die Heterogenität der Exosomenpopulationen und die Anwesenheit von Verunreinigungen erschweren die genaue Analyse und Anwendung dieser Vesikel. Fortschritte in der Nanotechnologie und molekularen Biologie sind erforderlich, um diese Herausforderungen zu bewältigen und die klinische Umsetzung von Exosomen-basierten Therapien zu fördern.

Die Erforschung von Exosomen steht noch am Anfang, aber ihre Bedeutung und ihr Potenzial sind unbestreitbar. Sie sind winzige, aber mächtige Akteure in der zellulären Kommunikation und bieten ein großes Potenzial für medizinische Anwendungen. Ihre Fähigkeit, spezifische Moleküle zwischen Zellen zu transportieren, macht sie zu wertvollen Werkzeugen in der Diagnostik und Therapie. Mit der weiteren Erforschung ihrer Biogenese, Funktion und Anwendungsmöglichkeiten könnten Exosomen zukünftig eine zentrale Rolle in der personalisierten Medizin und der Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten spielen.

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Referenzen

[1] Harding C, Stahl P (1983) Transferrin recycling in reticulocytes: pH and iron are important determinants of ligand binding and processing. Biochem Biophys Res Commun. 113(2):650-8.

[2] Pan BT, Johnstone RM (1983) Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: selective externalization of the receptor. Cell. 33(3):967-78.

[3] Colombo M, Moita C, Van Niel G, Kowal J, Vigneron J, Benaroch P, Manel N, Moita LF, Théry C, Raposo G (2013) Analysis of ESCRT functions in exosome biogenesis, composition and secretion highlights the heterogeneity of extracellular vesicles. J Cell Sci. 126:5553–65.

[4] Patil AA, Rhee WJ (2019) Exosomes: biogenesis, composition, functions, and their role in pre-metastatic niche formation. Biotechnol Bioprocess Eng. 24:689–701.

[5] Momen-Heravi F, Bala S, Kodys K, Szabo G (2015) Exosomes derived from alcohol-treated hepatocytes horizontally transfer liver specific miRNA-122 and sensitize monocytes to LPS. Sci Rep 5, 9991.

[6] Park SH, Lee EK, Yim J, Lee MH, Lee E, Lee YS, Seo W (2023) Exosomes: Nomenclature, Isolation, and Biological Roles in Liver Diseases. Biomol Ther (Seoul). 1;31(3):253-263.

[7] Thery C, Zitvogel L, Amigorena S (2002) Exosomes: composition, biogenesis and function. Nat Rev Immunol. 2:569–579.

[8] Janowska-Wieczorek A, Wysoczynski M, Kijowski J, et al. (2005) Microvesicles derived from activated platelets induce metastasis and angiogenesis in lung cancer. Int J Cancer. 113:752–760.

[9] Qin J, Xu Q (2014) Functions and application of exosomes. Acta Pol Pharm. 71:537–43.

[10] Rezaie J, Feghhi M, Etemadi T (2022) A review on exosomes application in clinical trials: perspective, questions, and challenges. Cell Commun Signal. 20(1):145.

[11] Colao IL, Corteling R, Bracewell D, Wall I (2018) Manufacturing exosomes: a promising therapeutic platform. Trends Mol Med. 24:242–56.

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