Vescicole extracellulari nei reni e loro potenziale clinico nelle malattie renali

Le vescicole extracellulari (EV), come gli esosomi e le microvescicole, sono particelle di membrana a doppio strato lipidico derivate dalle cellule, che forniscono informazioni dalle cellule ospiti alle cellule riceventi. Gli EV sono coinvolti in vari processi biologici tra cui la modulazione della risposta immunitaria, le comunicazioni cellula-cellula, la trombosi e la rigenerazione dei tessuti. È noto che diversi tipi di cellule renali rilasciano EV in condizioni fisiologiche e patologiche e studi recenti hanno scoperto che gli EV hanno un ruolo fisiopatologico in diversimalattie renali. Dati i recenti progressi nell'isolamento e nelle tecniche di analisi dei veicoli elettrici, molti studi hanno dimostrato il potenziale diagnostico e terapeutico dei veicoli elettrici in varimalattie renali, come acutodanno renale, policistico nefropatia, malattia renale cronica, ktrapianto di idneye carcinoma a cellule renali. Questa recensione aggiorna i recenti risultati clinici e sperimentali sul ruolo dei veicoli elettrici inmalattie renalied evidenzia ilpotenziale applicabilità clinica degli EVcome nuova diagnostica e terapeutica.

Parole chiave: biomarcatori, esosomi, vescicole extracellulari,Immunità, Malattie renali, Microvescicole

introduzione

Le vescicole extracellulari (EV) si riferiscono a tutte le vescicole legate alla membrana prodotte endogenamente che vengono rilasciate dalle cellule nello spazio extracellulare. Gli EV contengono varie molecole, come DNA, RNA messaggero (mRNA), proteine, lipidi e microRNA (miRNA). Sono stati descritti diversi sottotipi di EV inclusi esosomi, microvescicole o microparticelle, corpi apoptotici, esosomi ed endosomi in base alla loro origine, dimensione, contenuto e biogenesi (Tabella 1). In senso stretto, gli EV di solito si riferiscono a esosomi o microvescicole. In questa recensione, useremo il termine completo "EV" per concentrarci su esosomi e microvescicole a causa delle caratteristiche sovrapposte tra i diversi sottotipi. Gli EV sono stati inizialmente scoperti oltre 30 anni fa, ma si pensava che il loro ruolo fisiologico fosse limitato all'escrezione di componenti intracellulari o di membrana delle cellule. Tuttavia, i recenti progressi hanno dimostrato che gli EV sono coinvolti in molteplici processi biologici come la modulazione immunitaria, l'emostasi e la proliferazione/rigenerazione dei tessuti, che possono influenzare lo sviluppo e la rigenerazione degli organi. I veicoli elettrici sono anche ampiamente trovati in condizioni patologiche. La loro presenza in qualsiasi fluido corporeo espande il ruolo diagnostico degli EV come biomarcatori in vari tipi di malattie. Gli EV contribuiscono anche alla progressione della malattia influenzando il livello di infiammazione, trombosi e tumorigenesi. D'altra parte, i veicoli elettrici hanno ricevuto molta attenzione medica come potenziale veicolo terapeutico in base alla loro capacità di trasportare proteine ​​e materiali genetici. In questa recensione, ci concentreremo sul ruolo degli EV nella fisiologia renale e nei processi patologici, nonché sulla loro potenziale applicabilità come diagnostica e terapeutica in molteplicimalattie renali.

Il ruolo fisiologico delle vescicole extracellulari nei reni

In condizioni fisiologiche, le principali funzioni biologiche degli EV sono di eliminare le sostanze indesiderate dalle cellule ospiti. Gli EV possono anche trasferire importanti informazioni biologiche alle cellule riceventi fornendo materiale genetico, proteine, lipidi e recettori. La veicolazione di RNA o miRNA può avere un effetto sostanziale sulle cellule riceventi riprogrammandone le caratteristiche genetiche. Di seguito, discuteremo in dettaglio la funzione biologica degli EV nella fisiologia renale (Fig. 1A).

Figura 1. Ruolo delle vescicole extracellulari (EV) nei reni normali e nelle malattie renali. (A) I veicoli elettrici mediano le comunicazioni cellula-cellula, modulando l'omeostasi cellulare, l'equilibrio elettrolitico/idrico, la rigenerazione tubulare e le reazioni infiammatorie nei reni normali. (B) Gli EV influenzano la progressione della malattia amplificando l'infiammazione e inducendo la fibrosi tubulointerstiziale o la transizione epiteliale-mesenchimale glomerulare (EMT). Gli EV possono anche essere coinvolti nella patogenesi del carcinoma a cellule renali (RCC) e del rigetto dell'allotrapianto renale.

Ag, antigene; CD, condotto di raccolta; DC, cellula dendritica; DT, tubulo distale; ENaC; canale del sodio epiteliale; PT, tubulo prossimale; TEC, cellule epiteliali tubulari.

Modificato dall'articolo di Kwon et al. (Korean J Intern Med 2019;34:470-479)con licenza Creative Commons.

Omeostasi e sopravvivenza cellulare

Uno dei ruoli biologici più importanti degli EV è la rimozione di materiali tossici intracellulari negli spazi extracellulari. Quando le cellule attraversano molteplici processi biologici, accumulano organelli danneggiati e rifiuti cellulari, che possono indurre stress cellulare che porta alla morte cellulare o all'infiammazione. Le cellule eucariotiche hanno sviluppato un meccanismo di autodifesa per la rimozione dei rifiuti intracellulari: la secrezione di EV nello spazio extracellulare. In questo modo, le cellule possono eliminare efficacemente frammenti di DNA cromosomico potenzialmente dannosi attraverso gli esosomi. L'inibizione di questo processo può indurre una risposta immunitaria innata, danni al DNA e apoptosi nelle normali cellule umane.Renele cellule sono relativamente suscettibili allo stress biologico. In condizioni ipossiche, le cellule tubulari renali aumentano in modo proattivo la quantità di secrezione esosomica e alterano la composizione degli esosomi per soddisfare specifiche esigenze biologiche. L'assorbimento di EV nelle cellule riceventi è anche un processo biologico molto importante nella comunicazione intercellulare. Il meccanismo più comune di assorbimento cellulare è l'endocitosi per cui gli EV vengono inghiottiti dalle cellule riceventi. L'equilibrio tra rilascio e assorbimento di EV dipende dalla condizione fisiologica delle cellule genitore/ricevente, dal tipo di cellule genitore/ricevente e dal riconoscimento di ligandi/recettori sulle cellule EV e riceventi.

Infiammazione/immunomodulazione 

Gli EV sono una versione in miniatura delle loro cellule madri, quindi la loro funzione immunologica dipende in modo significativo dalla loro origine e dal microambiente a cui sono esposte le cellule madri. Ad esempio, gli EV delle cellule dendritiche possono funzionare come vescicole presentanti l'antigene attraverso la presentazione diretta dei complessi del complesso di istocompatibilità maggiore del peptide (MHC) alle cellule T. Questi complessi peptide-MHC possono essere trasferiti ad altre cellule riceventi, presentando indirettamente antigeni e portando successivamente alla stimolazione delle cellule immunitarie. D'altra parte, gli EV secreti dalle cellule tumorali possono mediare una risposta immunosoppressiva trasformando i monociti e le cellule T in sottotipi tolerogenici, inibendo la differenziazione dei monociti o inducendo l'apoptosi delle cellule T astanti, la cosiddetta morte cellulare indotta dall'attivazione. . Lo stato fisiologico delle cellule madri influisce in modo significativo sul contenuto degli EV. Ad esempio, gli esosomi derivati ​​da cellule tumorali ipossiche potrebbero indurre livelli più elevati di differenziazione e l'attivazione di cellule soppressori di derivazione mieloide rispetto agli esosomi derivati ​​da cellule in condizioni normossiche.

Effetto antimicrobico

Il sistema del tratto urinario è costantemente esposto a microrganismi dall'ambiente esterno, esponendolo ad alto rischio di infezione del tratto urinario. Tuttavia, la maggior parte del tratto urinario, ad eccezione dell'uretra, rimane generalmente sterile. Questa resistenza alle infezioni è mediata da diversi fattori. Tradizionalmente, le barriere anatomiche, come la placca glicoproteica e uno strato di muco idratato, così come le barriere immunologiche di varie cellule immunitarie residenti e il rivestimento delle cellule epiteliali, erano considerate i principali meccanismi di difesa dell'ospite. Recentemente, è stato scoperto che i veicoli elettrici svolgono un ruolo significativo contro le infezioni all'interno del tratto urinario. Uno studio di proteomica ha dimostrato che le proteine ​​immunitarie innate arricchite, tra cui la calprotectina e il lisozima C negli EV urinari, potrebbero mediare un effetto antimicrobico. Anche se l'autofagia è un meccanismo di difesa cellulare ben sviluppato per eliminare agenti patogeni estranei, alcuni batteri hanno sviluppato meccanismi di difesa per superare l'autofagia neutralizzando il pH lisosomiale. Uno studio di Miao et al. mostra che le cellule epiteliali della vescica possono superare questo fenomeno attraverso gli esosomi, espellendo i batteri racchiusi nell'esosoma dallo spazio intracellulare.

Rigenerazione/riparazione del rene

Le cellule staminali mesenchimali (MSC) sono ben note per il loro potenziale rigenerativo e riparativo in diversi organi tra cui ilreni.Tuttavia, il potenziale riparativo delle MSC è mediato dai VE piuttosto che dal potenziale di differenziazione delle MSC stesse. Gli EV derivati ​​da MSC contengono diversi tipi di antiossidanti e fattori di crescita per stimolare la differenziazione delle cellule progenitrici residenti. La consegna di materiali genetici come DNA, miRNA o mRNA attraverso EV può anche introdurre il potenziale riparativo delle MSC parentali nelle cellule riceventi. In uno studio di Ranghino et al., EV derivati ​​da MSC glomerulari hanno mediato la rigenerazione delle cellule epiteliali tubolari e alleviato il danno renale acuto ischemico (AKI) trasferendo mRNA e miRNA con potenziali effetti pro-rigenerativi.

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Emostasi e aggregazione piastrinica

Un ampio numero di pubblicazioni ha riportato le proprietà coagulanti degli EV plasmatici nell'uomo. È stato scoperto che gli EV originati da piastrine, cellule endoteliali o leucociti sono coinvolti nel corso dell'emostasi. Questi EV possono avviare il processo di coagulazione esponendo la fosfatidilserina (PS) sulla loro superficie per consentire siti di legame per i fattori di coagulazione. Un altro meccanismo è attraverso l'espressione di fattori tissutali sulla loro superficie, che avvia la via estrinseca della coagulazione e porta allo scoppio della trombina e alla formazione di coaguli piastrinici. Uno studio di Yu et al. ha mostrato che i pazienti conrene diabeticomalattia aveva un livello significativamente più alto di microvescicole che esprimono PS rispetto ai gruppi di controllo. Hanno anche scoperto che livelli più elevati di microvescicole PS-positive erano associati a uno stato di ipercoagulabilità e a una peggiore funzionalità renale. Un risultato simile è stato mostrato in pazienti con nefropatia da immunoglobuline A.

Recentemente, diversi studi hanno rivisitato la proprietà pro-coagulazione degli EV a causa dei miglioramenti tecnici nella raccolta del sangue, nella preparazione del plasma e nell'isolamento degli EV. È interessante notare che gli EV plasmatici isolati da individui sani promuovono la fibrinolisi in modo più dominante rispetto alla coagulazione. Questa discrepanza suggerisce un ruolo ambivalente degli EV nei processi di emostasi, che dipende dal microambiente. Inoltre, una corretta preparazione del campione EV è importante per una migliore comprensione del loro ruolo nel corpo umano.

Integrità vasale e rivascolarizzazione

Gli EV derivati ​​​​da cellule endoteliali aiutano a mantenere l'integrità dei vasi e promuovono la sopravvivenza delle cellule endoteliali vascolari rimuovendo i segnali di morte cellulare e rilasciando complementi in eccesso dalle cellule endoteliali vascolari. Nei vasi danneggiati, gli EV derivati ​​dalle piastrine inducono l'adesione delle cellule endoteliali alla matrice extracellulare, che aiuta la rigenerazione dell'endotelio e attenua la permeabilità vascolare.

Gli EV derivati ​​dal tumore sono ben noti per le loro proprietà angiogenetiche, ma gli EV possono anche indurre l'angiogenesi in condizioni fisiologiche. Gli EV derivati ​​dalle cellule endoteliali modulano l'angiogenesi promuovendo l'invasione delle cellule endoteliali e la formazione di strutture simili ai capillari. Recentemente, è stato scoperto che il trasferimento di alcuni miRNA, inclusi miR-126 o miR-124, utilizzando EV derivati ​​da cellule endoteliali e cellule endoteliali riceventi, ha un ruolo significativo nell'angiogenesi. Gli EV indotti da MSC inducono anche l'angiogenesi trasferendo proteine ​​come trasduttori di segnale fosforilati e attivatori della trascrizione -3 o proteine ​​​​associate alla via del fattore nucleare-kB, portando alla trascrizione di proteine ​​​​proangiogeniche. Gli EV derivati ​​da MSC possono anche trasferire diversi fattori di crescita tra cui il fattore di crescita epidermico e il fattore di crescita endoteliale vascolare alle cellule endoteliali che promuovono l'angiogenesi. Informazioni più dettagliate sul meccanismo angiogenetico degli EV da più origini cellulari possono essere trovate in un articolo di revisione di Todorova et al..

Equilibrio elettrolitico e idrico

Il riassorbimento sodio/acqua è una delle principali funzioni delle cellule tubulari renali. Due terzi del sodio filtrato vengono riassorbiti nelle cellule epiteliali tubulari prossimali e la regolazione fine per il sodio, il riassorbimento avviene nel tubulo distale e nei dotti collettori. Pertanto, la comunicazione interattiva tra le cellule tubulari prossimali e distali/collettrici è importante per il corretto mantenimento dell'equilibrio elettrolitico e il controllo del volume. Uno studio di Jella et al. ha mostrato che gli esosomi delle cellule tubulari prossimali possono regolare l'attività del canale epiteliale del sodio nel tubulo distale e nei dotti collettori attraverso il rilascio esosomiale della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Dopo l'esposizione alla vasopressina, le cellule tubolari del dotto collettore corticale aumentano la produzione di canali dell'acqua di acquaporine all'interno di se stesse e all'interno dei loro esosomi. Questi esosomi potrebbero trasferire i canali funzionali dell'acquaporina ad altre cellule tubulari, aumentando la loro capacità di trasporto dell'acqua. Mediando la comunicazione inter e intracellulare delle cellule epiteliali renali tra i diversi segmenti del nefrone, gli esosomi svolgono un ruolo significativo nell'equilibrio elettrolitico e fluido nel corpo umano.

Vescicole extracellulari come mediatori della malattia renale

In condizioni patologiche, la produzione di EV aumenta significativamente, contribuendo all'inizio e alla propagazione della malattia attraverso l'immunomodulazione, la trombogenesi e l'oncogenesi. Il ruolo dettagliato degli EV renali nei diversi decorsi della malattia è discusso di seguito (Fig. 1B).

Malattia glomerulare 

Nella malattia glomerulare avanzata, il danno tubulare e la fibrosi sono i principali meccanismi di disfunzione renale. Un recente studio di Jeon et al. ha mostrato che i miRNA negli EV rilasciati dai podociti feriti possono indurre l'apoptosi delle cellule epiteliali tubulari, suggerendo un possibile crosstalk glomerulotubulare. Questo studio ha anche mostrato che il profilo del miRNA nei veicoli elettrici dei podociti feriti è diverso da quello dei podociti non feriti e che i miRNA dei podociti feriti potrebbero riprodurre un effetto proapoptotico sulle cellule epiteliali tubulari renali. Nella nefropatia diabetica, l'esposizione a livelli elevati di glucosio può indurre la produzione di EV dai podociti. Le cellule epiteliali tubolari assorbono questi EV derivati ​​dai podociti e generano fibrosi tubulare attraverso la fosforilazione di p38.

Danno renale acuto

Un recente studio sul sequenziamento dei miRNA ha mostrato che i miRNA esosomiali urinari hanno profili caratteristici e proprietà funzionali che dipendono dallo stadio AKI. Diversi eso-miRNA (miR-16, miR-24 e miR-200c) sono aumentati durante lo stato di lesione iniziale e l'espressione dei loro mRNA bersaglio è stata significativamente influenzata nel midollo renale . Durante la fase iniziale di recupero, gli exo-miRNA che condividono Zeb1/2 come bersaglio comune sono stati significativamente sovraregolati, il che implica il loro ruolo nella fibrosi renale associata al fattore di crescita trasformante (TGF) - 1-. Nel danno da ischemia-riperfusione, il danno ipossico induce l'aumento della produzione di EV nelle cellule epiteliali tubulari che contengono mRNA del TGF- 1. Il rilascio esosomico di questi mRNA del TGF- 1 nei fibroblasti porta infine all'attivazione e alla proliferazione dei fibroblasti. Ranghino et al. ha recentemente dimostrato che le MSC all'interno dei glomeruli possono contribuire al recupero renale postischemico principalmente attraverso il rilascio di EV.

Nell'AKI correlato alla sepsi, gli EV derivati ​​dalle piastrine e dai neutrofili dimostrano effetti proinfiammatori e procoagulanti, che possono impedire la crescita dei batteri e la loro diffusione. Tuttavia, questi EV possono indurre sistematicamente stress ossidativo e diffondere risposte infiammatorie, portando a esiti clinici peggiori.

Infiammazione tubulointerstiziale

L'infiammazione tubulointerstiziale è una caratteristica comune sia dell'acuto che delmalattia renale cronica.Lv et al. hanno riscontrato un aumento significativo del miRNA esosomico derivato da cellule epiteliali tubolari -19b-3p sia in un modello AKI indotto da lipopolisaccaridi che in un modello cronico indotto da adriamicinarene proteinuricomodello di malattia Il miRNA esosomiale derivato dalle cellule epiteliali tubolari -19b-3p ha promosso l'attivazione dei macrofagi M1 e l'infiammazione tubulointerstiziale. Questo gruppo ha anche dimostrato che la consegna esosomica dell'mRNA di CCL2 dalle cellule epiteliali tubulari ai macrofagi potrebbe mediare l'infiammazione tubulointerstiziale indotta dall'albumina. L'ipossia è un altro noto stimolatore dell'infiammazione tubulointerstiziale nel rene. La stimolazione ipossica induce l'espressione del fattore inducibile dall'ipossia -1 nelle cellule epiteliali tubulari. Questo stimolo porta al miRNA esosomiale-23un trasferimento dalle cellule epiteliali tubulari ai macrofagi, che innesca l'attivazione dei macrofagi e promuove l'infiammazione tubulointerstiziale. Pertanto, la modulazione dell'attivazione dei macrofagi bloccando il miRNA esosomiale o il rilascio di mRNA dalle cellule epiteliali tubulari può essere un nuovo approccio terapeutico.

Fibrosi

La fibrosi nei glomeruli e nei tubuli è un ultimo processo patologico dimalattie renali cronichee fase finalemalattia renalee il ruolo fisiopatologico degli EV nella fibrosi è stato esplorato in diversi studi. Vari stimoli sulle cellule renali, come ipossia, stress ossidativo o glucosio elevato, possono portare alla secrezione di EV o cambiamenti nella composizione di EV. Gli EV secreti dalle cellule renali danneggiate possono essere trasferiti ad altre cellule renali normali, modificandone il fenotipo e attivando i fibroblasti. In condizioni ipossiche, le cellule epiteliali tubulari danneggiate trasferiscono l'mRNA del TGF- 1 ai fibroblasti attraverso la secrezione di esosomi, portando infine alla proliferazione/attivazione dei fibroblasti e alla progressione della fibrosi tubulare renale. Uno studio in vitro di Wu et al. hanno mostrato che gli EV secreti da cellule endoteliali glomerulari trattate con glucosio elevato possono innescare la transizione epiteliale-mesenchimale dei podociti trasferendo l'mRNA del TGF - 1 nelle cellule mesangiali glomerulari. Questo processo induce la proliferazione cellulare e la sovrapproduzione di matrice extracellulare all'interno dei glomeruli, che è un meccanismo patologico chiave della nefropatia diabetica. Diversi miRNA negli EV, come miR-21, miR-192 e miR-34a, influenzano anche i processi biologici della fibrosi tubulare e della fibrosi glomerulare, rispettivamente.

Nefrolitiasi

Dato il ruolo significativo dei veicoli elettrici come mediatori di varimalattie renali, diversi studi hanno ipotizzato che i veicoli elettrici abbiano un ruolo nella formazione dei calcoli. Ad esempio, uno studio in vitro di He et al. ha mostrato che l'esposizione delle cellule tubulari renali a diverse concentrazioni di ossalati potrebbe influenzare le dimensioni e la composizione degli esosomi delle cellule tubulari. Questo risultato suggerisce che il ruolo biologico degli esosomi può dipendere dal livello di esposizione agli ossalati in un dato microambiente. Altri studi in vitro di Singhto et al. hanno mostrato che gli esosomi derivati ​​da macrofagi umani esposti a cristalli di ossalato di calcio potrebbero indurre la migrazione/attivazione di monociti/cellule T/neutrofili e migliorare la produzione di citochina proinfiammatoria interleuchina-8. Questi esosomi avevano una maggiore capacità di legare i cristalli di ossalato di calcio e successivamente aumentavano l'invasione dei cristalli attraverso la matrice extracellulare, suggerendo il possibile ruolo degli esosomi derivati ​​dai macrofagi nell'invasione dei cristalli dell'interstizio renale.

Cancro renale

Gli EV mediano la comunicazione intercellulare tra le cellule tumorali. Gli EV delle cellule tumorali contengono mRNA proangiogenici e vari miRNA con proprietà tumorali invasive. Gli EV derivati ​​dal carcinoma a cellule renali chiare possono influenzare negativamente le cellule immunitarie adiacenti mediante l'attivazione della via di segnalazione TGF-/SMAD. È anche noto che gli EV mediano la chemioresistenza nelle cellule tumorali renali attraverso la consegna di RNA endogeno lungo non codificante / in competizione, portando infine a una maggiore espressione di recettori prometastatici. Ulteriori informazioni sul ruolo degli EV nelle neoplasie urologiche sono ben descritte in un articolo di revisione di Linxweiler e Junker.

Vescicole extracellulari come biomarcatori in varie malattie renali

La maggior parte degli studi EV nelle malattie renali si sono concentrati sulle scoperte di biomarcatori. I VE possono essere trovati in diversi tipi di fluidi biologici tra cui siero, urina, latte materno, liquido cerebrospinale, saliva, ascite e liquido di lavaggio broncoalveolare. In condizioni fisiologiche, quasi tutti gli EV urinari originano dalle cellule renali perché gli EV circolanti generalmente non attraversano la membrana basale glomerulare. Pertanto, l'origine organo-specifica degli EV urinari comprende il principale vantaggio dell'utilizzo degli EV urinari come biomarcatorimalattie renali. Inoltre, gli EV urinari possono essere ottenuti in modo non invasivo e ripetuto, fornendo importanti informazioni su diagnosi, prognosi e risposta al trattamento.

Anche se gli EV circolanti possono provenire da diversi organi, siero e plasma, possono comunque fornire informazioni significative sull'estensione e sulla prognosi dimalattia renaleperché l'esito clinico è determinato non solo dal danno renale in sé, ma anche dalla disfunzione di organi distanti tra cui polmoni, cuore, cervello, fegato e sistema immunitario. Una più facile accessibilità clinica è anche un enorme vantaggio dell'utilizzo di veicoli elettrici circolanti come biomarcatori nelle malattie renali.

I recenti progressi negli studi "omici" hanno accelerato la scoperta di nuovi biomarcatori EV che consentono il rilevamento di processi patologici anche prima dei biomarcatori tradizionali. Salih et al. hanno confrontato EV urinari damalattia renale policistica autosomica dominante (ADPKD)pazienti e controlli sani utilizzando la proteomica quantitativa. Tra le proteine ​​​​con maggiore abbondanza, cinque proteine, inclusi complementi e plakin, sono state selezionate per ulteriori analisi in base al loro significato nell'analisi del percorso. In particolare, è stato riscontrato un livello più elevato di complemento negli EV urinari nei pazienti ADPKD più giovani con funzionalità renale preservata, aumentandone il potenziale come biomarcatore. A causa della grande quantità di informazioni provenienti da vari studi e dello spazio limitato, il ruolo dei veicoli elettrici come biomarcatori è riassunto nella Tabella 2.

ADPKD, rene policistico autosomico dominante; AGS3, un attivatore della segnalazione 3 della proteina G; AKI, danno renale acuto; ATF3, attivando il fattore di trascrizione 3; CKD, malattia renale cronica; DN, nefropatia diabetica; DM, diabete mellito; EV, vescicola extracellulare; FSGS, glomerulosclerosi focale segmentale; IgA, immunoglobulina A; LN, nefrite da lupus; lncRNA, RNA lungo non codificante; MCD, malattia a cambiamento minimo; miRNA e miR, microRNA; mRNA, RNA messaggero; NGAL, lipocalina associata alla gelatinasi dei neutrofili; PKD, rene policistico; RCC, carcinoma a cellule renali; RT-qPCR, reazione a catena della polimerasi quantitativa di trascrizione inversa; RT-PCR, reazione a catena della polimerasi a trascrizione inversa; SH2D1B, proteina 1B contenente il dominio SH2; TIMP, inibitore tissutale della metalloproteinasi; TNF-, fattore di necrosi tumorale alfa; WT-1, tumore di Wilms 1.

Vescicole extracellulari come terapie in varie malattie renali

Vescicole extracellulari come carico di materiale terapeutico Il ruolo dei VE come vettori ha ricevuto molta attenzione di recente. Gli EV portano diversi vantaggi biologici come vettore rispetto ad altri metodi, tra cui stabilità, dimensioni ridotte e bassa immunogenicità. Molecole specifiche della superficie cellulare sui veicoli elettrici aumentano la loro capacità di targeting con meno effetti fuori bersaglio. I veicoli elettrici di dimensioni nanometriche con determinate molecole di superficie possono persino penetrare barriere naturali come la barriera emato-encefalica. Inoltre, gli EV utilizzano i meccanismi nativi delle cellule riceventi nel corso dell'internalizzazione e del traffico intracellulare. La consegna di carichi biomolecolari come mRNA, miRNA e proteine ​​può modificare il profilo genetico e la risposta biologica delle cellule riceventi, portando alla modulazione dei processi patologici.

Il carico EV di farmaci tradizionali con proprietà antinfiammatorie è stato studiato per l'applicabilità terapeutica. Il desametasone, ad esempio, è ampiamente utilizzato per sopprimere l'infiammazione in varimalattie renali, ma il suo uso clinico è limitato a causa di effetti avversi significativi. Incubando i macrofagi con desametasone, il desametasone derivato dai macrofagi contenente EV è stato prodotto con successo e consegnato ai reni infiammati dei topi, che hanno mostrato una significativa soppressione dell'infiammazione renale e della fibrosi. In particolare, il desametasone contenente EV ha sostanzialmente ridotto gli effetti avversi del trattamento sistemico con steroidi come l'iperglicemia e la soppressione dell'asse ipotalamo-ipofisi-surrene.

Negli ultimi dieci anni, c'è stato un progresso esplosivo nella ricerca sui veicoli elettrici. La cooperazione interdisciplinare tra medicina e ingegneria biomedica ha sfruttato i veicoli elettrici come potenti strumenti per la somministrazione di farmaci attraverso l'applicazione della nanotecnologia. Diversi studi hanno caricato con successo materiale genetico negli EV e hanno mostrato effetti sulla modifica dei decorsi della malattia. Yim et al. hanno recentemente sviluppato una nuova tecnica per l'efficace trasferimento intracellulare di proteine ​​solubili attraverso gli esosomi utilizzando l'ingegneria optogenetica. Questa tecnologia è stata adottata in un modello sperimentale di sepsi, mostrando l'effetto protettivo dell'inibitore del super-repressore esosomiale della somministrazione di kappa B (IκB) in un modello AKI settico murino. Recentemente, il nostro gruppo ha anche dimostrato l'effetto benefico del rilascio di IκB super-repressore esosomiale in un modello di AKI ischemico (in fase di revisione).

Vescicole extracellulari per la riparazione renale

La terapia con cellule staminali ha grandi vantaggi in molteplici esperimentidanno renalemodelli, non attraverso il loro potenziale di differenziazione ma attraverso gli effetti paracrini dei loro veicoli elettrici. È stato dimostrato che gli EV secreti dalle MSC o dalle cellule progenitrici endoteliali svolgono un ruolo significativo nel miglioramento dell'apoptosi/fibrosi delle cellule tubulari e nella proliferazione delle cellule tubulari ed endoteliali in vari modelli di AKI. Questo effetto benefico è stato riscontrato anche in modelli sperimentali di malattia renale cronica, migliorando la transizione epiteliale-mesenchimale e prevenendo l'infiltrazione di cellule infiammatorie. Le MSC progettate per sovraesprimere miRNA-let7c potrebbero consegnare selettivamente miRNA-let7c arene danneggiatocellule che utilizzano esosomi, che hanno portato alla protezione dalla lesione renale e alla diminuzione della fibrosi in un modello di ostruzione ureterale unilaterale. Nagaishi et al. hanno dimostrato che i fattori trofici renali derivati ​​da MSC, inclusi gli esosomi, potrebbero alleviare l'albuminuria e l'infiltrazione di cellule immunitarie nei reni in un modello di nefropatia diabetica. Gli esosomi derivati ​​da MSC hanno mostrato un effetto antiapoptotico e una struttura di giunzione stretta protetta nelle cellule epiteliali tubolari. Le iniezioni endovenose di esosomi derivati ​​da cellule staminali urinarie potrebbero anche ridurre l'escrezione di microalbumina urinaria e prevenire l'apoptosi delle cellule epiteliali podocitarie/tubulari nei ratti diabetici.

Oltre alle MSC, le EV di altre origini hanno mostrato un effetto nefroprotettivo negli animalidanno renaleModelli. Gli esosomi derivati ​​da sieri di animali dopo il precondizionamento ischemico remoto potrebbero attenuare il danno renale indotto dalla sepsi, e questo è stato mediato dalla sovraregolazione del miRNA esosomiale -21. Dominguez et al. hanno dimostrato che la somministrazione endovenosa di EV da cellule tubulari renali di ratto potrebbe ridurre notevolmente il danno renale nei riceventi dopo un insulto ischemico. Questo gruppo ha anche dimostrato che gli esosomi renali umani possono prevenire il danno renale ischemico nei ratti nudi. Tuttavia, l'evidenza clinica dell'effetto nefroprotettivo della terapia EV negli esseri umani è relativamente scarsa. Diversi problemi limitano l'applicazione terapeutica dei veicoli elettrici negli esseri umani; la bassa resa di EV da cellule in coltura e l'isolamento/purificazione prematura di EV con rischio di contaminazione da altre molecole con densità simile. Sebbene diversi studi abbiano mostrato progressi promettenti nell'isolamento e nella purificazione di EV, che sono stati esaminati altrove, sono necessari ulteriori sforzi per migliorare l'efficienza e la purezza dell'isolamento. Inoltre, è necessaria una produzione su larga scala per l'applicazione terapeutica dei veicoli elettrici negli esseri umani. Yang et al. recentemente ha utilizzato un metodo di nano-porazione cellulare per produrre esosomi su larga scala contenenti mRNA terapeutici e peptidi mirati. Utilizzando questa strategia, potrebbero produrre un numero significativamente più elevato di esosomi e trascrizioni di mRNA esosomiali rispetto all'elettroporazione di massa e ad altre strategie di produzione di esosomi. Infine, sono necessarie tecniche avanzate nella modulazione fine del contenuto di EV utilizzando la trasfezione o l'ingegneria cellulare per fornire specifiche trascrizioni o composizione proteica nelle cellule bersaglio. Ciò porterà a una migliore comprensione del ruolo biologico di alcuni VE in particolaremalattia renalemodelli e amplierà l'applicabilità terapeutica dei veicoli elettrici in varimalattie renali.

Vescicole extracellulari come potenziali bersagli terapeutici

Come abbiamo accennato, gli EV possono mediare la propagazione del danno renale in condizioni settiche, infiammatorie o trombogeniche. Pertanto, il blocco temporaneo del rilascio e dell'assorbimento di EV può alleviare il danno tissutale. È stato riscontrato che vari agenti farmacologici, inclusi agenti antipiastrinici, statine, bloccanti dei canali del calcio e abciximab, influenzano negativamente il processo di rilascio e assorbimento di EV, che è stato esaminato altrove. Tuttavia, non è stato studiato a fondo se il blocco del rilascio e dell'assorbimento di EV possa influenzare direttamente il decorso della malattia. Uno studio di Mossberg et al. ha mostrato che l'inibitore C1- può ridurre significativamente il rilascio di microvescicole endoteliali chemiotattiche per il recettore della chinina B1-positivo, suggerendo che ha un potenziale terapeutico nelle malattie infiammatorie. Sono necessari ulteriori studi per comprendere l'applicabilità clinica del controllo dell'interazione EV con le cellule riceventi in condizioni infiammatorie sistemiche.

Conclusioni e prospettive

I veicoli elettrici sono coinvolti nelle comunicazioni da cellula a cellula all'internoreni,mediazione del crosstalk podocita-tubulointerstiziale/tubolare prossimale-distale/glomerulo-tubulare. Gli EV possono fornire ruoli fisiologici nella riparazione renale e nell'immunomodulazione o mediare processi patologici che inducono trombosi e infiammazione. Studi recenti hanno notevolmente migliorato la nostra comprensione dei ruoli dei veicoli elettrici inrenefisiologia e patologia. Tuttavia, la maggior parte dei risultati è limitata all'analisi trascrittomica/proteomica descrittiva e manca di coerenza e affidabilità. Prima di entrare nell'applicazione clinica è necessaria una convalida rigorosa attraverso studi clinici e studi di coorte su larga scala. Per considerazioni cliniche sono necessarie anche un'ulteriore ottimizzazione delle tecniche di isolamento EV e una manipolazione meticolosa dei materiali genetici o delle composizioni proteiche degli EV. Questi sforzi amplieranno la nostra conoscenza del ruolo dei VE nello sviluppo/progressione delle malattie renali e amplieranno l'applicabilità clinica dei VE come nuova diagnostica e terapeutica dimalattie renali.

Conflitto di interessi

Tae-Hyun Yoo è membro del comitato consultivo scientifico di ILIAS Biologics Inc. e redattore capo diRicerca sui renie pratica clinica. Chulhee Choi è il fondatore e azionista di ILIAS Biologics Inc. Gli autori non hanno ulteriori interessi finanziari.

Finanziamento

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni della National Research Foundation of Korea (NRF-2017R1A2B4005720, NRF-2017R1A2B3002241, NRF-2018M3A9E2022820, NRF-2019R1A2C2084535), che è finanziata dal governo coreano (MSIP).

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano anche Medical Illustration & Design, parte dei Medical Research Support Services del Yonsei University College of Medicine, per tutto il supporto artistico relativo a questo lavoro.

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