Komórki macierzyste i ich eksosomy: przełomowe podejście do leczenia chorób związanych z wiekiem

Naukowcy z organizacji Tohoku Medical Megabank na Uniwersytecie Tohoku (Japonia) opracowali jak dotąd najbardziej kompleksowy przegląd wykorzystania mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) i ich eksosomów (MSC-Exos) w korygowaniu zaburzeń fizjologicznych związanych z wiekiem i leczeniu chorób związanych z wiekiem. Praca została opublikowana w czasopiśmie „ Stem Cell Research & Therapy” i obejmuje dane z ponad 150 publikacji z ostatnich pięciu lat.

Dlaczego MSC i ich eksosomy

Komórki macierzyste mezenchymalne uzyskane z tkanki tłuszczowej, szpiku kostnego, krwi pępowinowej lub łożyska są zdolne do:

• Różnicują się w różne tkanki (kość, tłuszcz, chrząstka).
• Wydzielają szeroką gamę czynników troficznych (VEGF, HGF, IGF-1), które regulują proliferację, angiogenezę i odpowiedź immunologiczną.
• Migrują do uszkodzonych obszarów poprzez chemotaksję SDF-1/CXCR4.

Ich eksosomy (30–150 nm) przenoszą białka, lipidy i mikroRNA, replikując kluczowe efekty działania komórek MSC bez ryzyka nowotworzenia, zakrzepicy lub powikłań immunologicznych.

Główne obszary zastosowań

1. Przedwczesna niewydolność jajników (POF)

• Modele przedkliniczne: myszy i szczury z POF wywołanym chemio- lub radioterapią.
• Mechanizmy MSC:
  • Stymulacja proliferacji komórek ziarnistych poprzez szlak PI3K/AKT i Wnt/β-katenina.
  • Zmniejszenie apoptozy oocytów poprzez supresję PTEN/FOXO3a.
• Wyniki: przywrócenie poziomu estrogenów, zmniejszenie zaniku pęcherzyków i normalizacja cyklu menstruacyjnego w modelach.
• Egzosomy: dostarczają miR-21, miR-146a i miR-29, które tłumią sygnały prozapalne (TGF-β1/Smad3) i chronią komórki pęcherzykowe.

2. Choroba Alzheimera (AD)

• Modele: myszy transgeniczne APPSwe/PS1dE9 i wstrzyknięcia β-amyloidu.

• Akcja MSC:

  • Wydzielanie neurotrofin (BDNF, GDNF) i aktywacja szlaku PI3K/AKT, które chronią neurony przed apoptozą.

  • Zwiększona aktywność mikrogleju o fenotypie M2, przyspieszająca fagocytozę β-amyloidu.

• Egzosomy:

  • Dostarcza prekursory mitochondriów i let-7, zwiększając metabolizm energetyczny neuronów.

  • Zmniejsz fosforylację τ poprzez modulację SIRT1/AMPK.

• Efekt: poprawa pamięci i zdolności uczenia się podczas rozwiązywania zadań w labiryncie oraz redukcja złogów β-amyloidu o 40–60%.

3. Miażdżyca

• Badania przedkliniczne: Myszy ApoE–/– i LDLR–/– na diecie wysokotłuszczowej.
• MSC i eksosomy:
  • Zmniejsza ekspresję VCAM-1, ICAM-1 i MCP-1 poprzez supresję NF-κB.
  • Stymuluje angiogenezę w niedokrwionej kończynie dzięki VEGF i Ang-1.
• Efekt: zmniejszenie objętości blaszek miażdżycowych o 30%, poprawa przepływu krwi i zmniejszenie stanu zapalnego w organizmie.

4. Osteoporoza

• Modele: szczury z usuniętymi jajnikami i stare myszy.
• MSC: aktywuj sygnalizację Runx2, OPG/RANKL i Wnt, aby zwiększyć tworzenie macierzy kostnej.
• Egzosomy: wzbogacone w miR-196a, miR-21, miR-29b, zwiększają proliferację osteoblastów i zmniejszają aktywność osteoklastów.
• Wyniki: wzrost masy kostnej i wytrzymałości o 25–35% w porównaniu do grupy kontrolnej.

Korzyści i wyzwania

Zalety egzosomów

• Brak ryzyka potworniaka i odrzucenia przez układ odpornościowy.
• Łatwa standaryzacja hodowli i przechowywania.
• Zdolność do przekraczania bariery krew-mózg.

Kluczowe zadania

1. Celowanie: modyfikacja powierzchni egzosomu za pomocą peptydów ligandowych (motyw RGD) lub przeciwciał w celu dostarczenia do określonych tkanek.
2. Farmakokinetyka: badanie czasu krążenia i dystrybucji w narządach przy użyciu metod in vivo (MRI, fluorescencja).
3. Skalowanie: Opracowywanie protokołów GMP dla produkcji egzosomów o stałej jakości i mocy.
4. Bezpieczeństwo: Długoterminowe badania toksykologiczne na dużych zwierzętach mające na celu ocenę akumulacji i skutków nagromadzonego materiału.

Perspektywy klinicznego zastosowania

Autorzy przewidują, że badania kliniczne MSC-Exos w leczeniu zaburzeń związanych z wiekiem rozpoczną się w ciągu najbliższych 3–5 lat:

• POF: wczesne badania fazy I/II mające na celu ocenę przywrócenia płodności u kobiet z POF wywołanym chemioterapią.
• AD: Badanie fazy II dotyczące funkcji poznawczych u pacjentów we wczesnym stadium choroby.
• Osteoporoza i niedokrwienie kończyn: ocena wytrzymałości kości i gojenia się owrzodzeń.

W dyskusji autorzy podkreślają kilka kluczowych punktów:

• Przewaga eksosomów nad komórkami:
  „Eksosomy MSC łączą potencjał terapeutyczny samych MSC z podwyższonym bezpieczeństwem i standaryzacją” – zauważa dr Katsuki Yamanaka. „Nie dzielą się ani nie tworzą guzów, co czyni je bardziej przewidywalnymi w zastosowaniu klinicznym”.

• Konieczność ukierunkowania i wstępnego przygotowania:
  „Aby zmaksymalizować skuteczność i zminimalizować skutki uboczne, musimy dostosować powierzchnie eksosomów do konkretnych tkanek i wstępnie podgrzać komórki MSC w warunkach łagodnego stresu, aby eksosomy przenosiły wzmocnione sygnały ochronne” – mówi współautor, prof. Hiroto Nakamura.

• Potencjał w metodach łączonych:
  „Łączenie eksosomów MSC z lekami małocząsteczkowymi lub protokołami ćwiczeń penetrujących może zapewnić efekt synergistyczny w chorobach związanych z wiekiem” – dodaje dr Ayako Sato.

• Perspektywa klinicznego zastosowania:
  „Jesteśmy o krok od rozpoczęcia pierwszych badań fazy I dotyczących stosowania eksosomów w leczeniu przedwczesnej niewydolności jajników i osteoporozy” – ogłasza główny autor, dr Takeshi Iwakura.

Komentarze te podkreślają, że pomimo zachęcających wyników badań przedklinicznych, powodzenie klinicznego zastosowania eksosomów MSC zależy od podjęcia wyzwań związanych z ukierunkowanym dostarczaniem leku, standaryzacją produkcji i potwierdzeniem bezpieczeństwa w dużych badaniach.

Zdaniem autorów interdyscyplinarna współpraca biologów komórkowych, bioinżynierów i klinicystów umożliwi szybkie i bezpieczne wprowadzenie eksosomów MSC do protokołów terapeutycznych mających na celu zwalczanie skutków starzenia.