Nanovesicular therapy. Evolution of the conception, the current state and prospectives. Communication 1. Nanovesicular therapy of acute kidney injury

Abstract

This article is dedicated to evolution of the concept of nanovesicular therapy, the current state of the method, and its prospectives. The publication is conceived as the first of the series concretizing the method by the example of acute kidney injury treatment. The background of the topic, bibliometrics, terminology, classification, extracellular vesicles structure, methods of vesicles detection, study, production and standardization are considered. The preclinical studies and the only so far clinical trial are analyzed in detail. The conclusion that nanovesicular therapy possesses the obvious translational capacity in the treatment of acute kidney injury is made.

Full Text

Цель настоящей публикации - сжато охарактеризовать эволюцию концепции нановезикулярной терапии, современное состояние метода и его перспективы. Это первое сообщение из серии о нановезикулярной терапии, конкретизирующее данный метод на пример лечения острого повреждения почек[1] (ОПП). Проблема лечения ОПП выходит далеко за пределы собственно нефрологической тематики. Новейшие обзоры (2017) показывают, что ОПП остается серьезным вызовом для многих клинических дисциплин. В качестве примера укажем на пациентов в послеоперационном периоде [24], после введения контрастных препаратов в имиджинговых исследованиях [22], в педиатрии [7], акушерстве [25] и др. В нашей статье, посвященной клеточным технологиям в нефрологии, опубликованной в сентябрьском номере за 2015 г. «Военно-медицинского журнала» [1], отмечалось, что несмотря на полтора десятилетия напряженных исследований и огромные финансовые затраты, применение клеточных технологий для лечения ОПП так и не смогло выйти за пределы доклинической фазы. Из трех клинических исследований в этой области, два американских, под номерами NCT00733876 [2] (фаза 1) и NCT01602328 (фаза 2), закончились констатацией отсутствия клинического эффекта метода, третье, итальянское, под номером NCT01275612, на момент публикации статьи еще продолжалось. Завершить его планировалось в марте 2016 г., однако спустя более полутора лет, по состоянию на 6 декабря 2017 г., данное исследование позиционируется в регистре как незавершенное. В связи с этим далее в той же статье мы указывали на существование разработок некоторых новых технологий в лечении ОПП на основе уже субклеточных структур, введение которых не связано с опасностями, свойственными введению живых, способных к размножению клеток. Ниже в настоящей публикации будет детально охарактеризована одна из таких технологий, связанная с использованием внеклеточных пузырьков[3] (ВП). История вопроса Первое описание ВП датируется 1983 г. и принадлежит сотрудникам отдела биохимии Университета МакГилл, Монреаль, Канада, Бин-Тао Пан (Bin-Tao Pan) и Роуз Джонстоун (Rose M. Johnstone), исследовавшим процесс экстернализации трансферинового рецептора из созревающих ретикулоцитов овцы [23]. За истекшую четверть века проблема ВП подверглась интенсивному изучению. К настоящему времени накоплен значительный объем информации по данной теме с экспоненциальным ростом числа публикаций. По состоянию на 6 декабря 2017 г. в базе данных Национальной медицинской библиотеки США[4], известной под названием Medline и представляющей глобальный массив медико-биологических публикаций, под рубрикой[5] «Микрочастицы клеточного происхождения»[6] уже насчитывается 2151(!) библиографическая запись [6]. В 2012 г. для координации исследований в данной области биологии и медицины в Швеции было основано Международное общество исследования внеклеточных пузырьков[7] (МОИВП). Организация проводит ежегодные конференции[8] и выпускает специализированное издание - Журнал внеклеточных пузырьков[9]. Первый опыт использования ВП in vivo для лечения ОПП в эксперименте у мышей представлен в статье большой группы итальянских и немецких исследователей, опубликованной в 2009 г. [15]. В сентябре 2014 г. в уже упоминавшемся международном регистре клинических испытаний ClinicalTrials.gov под номером NCT02289040 было заявлено первое клиническое исследование применения ВП для лечения ОПП (подробнее см. ниже). Терминология Используемый в данной статье термин ВП настоятельно рекомендуется МОИВП в целях унификации номенклатуры [26]. Следует иметь в виду, что в мировой литературе ВП еще повсеместно продолжают описываться и под другими названиями, например микровезикулы (Microvesicles), микрочастицы( Microparticles), экзосомы (Exosomes) и т. д., 26 (!) из таких «синонимов» представлены в Fig. 1 [26, p. 2]. Определение, происхождение, классификация и строение ВП В самом общем виде ВП определяются как ограниченные оболочкой внеклеточные образования, продуцируемые живыми клетками [2]. В связи с этим к ВП не следует относить безоболочечные внеклеточные образования типа макромолекул и макромолекулярных агрегатов, например, иммунные комплексы, или наоборот, покрытые оболочкой, но строго внутриклеточные образования, типа митохондрий, попадающие во внеклеточное пространство лишь в результате разрушения клетки. Естественно, не относят к ВП и цельноклеточные образования типа зрелых эритроцитов, являющихся конечным результатом развития клеток, а не секретируемыми последними. Также к ВП не следует причислять искусственные емкости наноразмера, например липосомы. ВП вырабатываются и выделяются в среду обитания клетками не только эукариот (растения, грибы и животные), но и прокариот (бактерии). ВП- содержащие среды могут быть представлены не только биологическими жидкостями, такими как кровь, моча, слюна и др., но и естественными неорганическими и искусственными жидкостями. Например показано, что свободно живущие в морской воде цианобактерии Prochlorococcus выделяют в нее ВП, которые они используют для фиксации растворенного в воде углекислого газа, азота, фосфора, горизонтального переноса генетического материала, а также как приманки для защиты от инфицирования фагами [5]. Как пример антропогенной среды, содержащей ВП, можно привести пиво. В нефильтрованном пиве современными методами удается обнаружить высокую концентрацию ВП, продуцируемых пивными дрожжами [29]. К настоящему времени устоявшейся классификации ВП еще нет. Условно ВП подразделяются на три вида: экзосомы, энтосомы (Ectosomes) и апоптотические тела (Apoptotic bodies) [12]. Экзосомы генерируются в специализированных внутриклеточных структурах под названием мультивезикулярные тела (Multivesicular bodies), которые затем выделяют наработанные в них пузырьки за пределы клетки посредством экзоцитоза (наглядно процесс представлен на Fig. 3) [12, p. 6]. Энтосомы формируются вблизи клеточной мембраны и выделяются путем почкования от нее, см. Fig. 4 [12, p. 8]. Апоптотические тела являются конечными продуктами программированной гибели клетки (апоптоза), Fig. 1 [12, p. 2]. Оболочка ВП по своему строению и химическому составу аналогична клеточной мембране. ВП обладают исключительно богатой «начинкой», в которой представлены различные фрагменты ДНК, причем не только ядерной, но и митохондриальной, РНК, как матричной (информационной), так и микроРНК, внутриклеточные белки, липиды, полисахариды и др. Для иллюстрации укажем, что к настоящему времени только белков в ВП идентифицировано более 35 тыс. (!) видов [31]. Методы обнаружения и изучения ВП Тот факт, что ВП, несмотря на их повсеместное присутствие, были идентифицированы как сущность sui generis сравнительно недавно, объясняется их малыми размерами. Все виды ВП не превышают 1 мкм, а многие находятся в нанодиапазоне, т. е. менее 100 нм. Поэтому большинство современных методов морфологического анализа, разработанных для изучения клеток, ВП просто игнорировали, относя их к т. н. клеточному мусору (Cellular dust or garbage) [9]. Некоторые современные методы, такие как молекулярно-ситовая/эксклюзионная/гель-фильтрационная хроматография[10], настраиваемый резистивный импульсный сенсоринг[11], траекторный анализ наночастиц[12] и ряд других, открывают новые возможности в изучении ВП [26]. Получение и стандартизация ВП В связи с большими надеждами, возлагаемыми на лечебные эффекты ВП, в настоящее время развернуты широкие исследования методов получения препаратов ВП, пригодных для клинических испытаний [14]. Существенным шагом в этом направлении можно считать опубликованный в апрельском номере за 2017 г. международного журнала Цитотерапия[13] протокол получения ВП из мезенхимального ростка клеток стромы костного мозга[14] человека, подготовленный большим коллективом австрийских ученых [3]. Документу присвоен уровень стандарта Добротная практика производства (Good Manufacturing Practice). Доклинические исследования возможности использования ВП для лечения ОПП Как уже отмечалось выше, первая публикация о применении ВП для лечения ОПП in vivo датирована 2009 г. [15]. В эксперименте использовались ВП, полученные из мезенхимальных стволовых клеток (МСК) костного мозга человека. Опыт проводился на мышах. ОПП индуцировалось внутримышечной инъекцией глицерина, вызывавшей острый рабдомиолиз с последующими токсическим и ишемическим тубулярным некрозом. Далее экспериментальный контингент мышей (с ОПП) подразделялся на 7 групп: 1) ОПП, 2) ОПП+ВП, внутривенно, 3) ОПП+ВП из МСК, обработанных рибонуклеазой, 4) ОПП+МСК, 5) ОПП+ВП из фибробластов (контроль специфичности ВП), 6) ОПП+ВП из МСК, обработанных гиалуроновой кислотой, 7) ОПП+ВП из МСК, обработанных трипсином. Кроме того, выделялись еще две контрольные группы животных: 1) Интактные (без ОПП) мыши+физиологический раствор внутривенно и 2) Интактные мыши+ВП. Результаты: положительная динамика вплоть до полного выздоровления, подтвержденная морфологически и биохимически (нормализация уровня остаточного азота и креатинина сыворотки крови) наблюдалась только во 2-й и 4-й экспериментальных группах. Эффективность ВП не отличалась от эффективности МСК. ВП накапливались только в клетках мышей с ОПП. Механизм терапевтического воздействия ВП связан с угнетением апоптоза и стимуляцией пролиферации, осуществляемыми человеческой РНК, содержащейся в МСК и полученных из них ВП. Отсутствие эффекта от ВП, обработанных трипсином, свидетельствует о том, что в проникновении РНК из пузырька внутрь клетки критическую роль играют адгезивные молекулы пузырьковой оболочки, что свидетельствует о том, что для оказания лечебного эффекта ВП должны быть интактными. Двумя годами позже, в 2011 г., той же исследовательской ассоциацией была продемонстрирована эффективность ВП в лечении ОПП на крысиной модели ишемического повреждения почки в результате 45-минутной окклюзии почечной артерии единственной почки [18], а в 2012 г. - на мышиной модели токсического ОПП, вызванного введением цис-платина. В последнем исследовании авторы уточнили механизм терапевтического действия ВП. Оказалось, что эффект связан с активацией антиапоптотических генов Bcl-xL, Bcl2 и BIRC8 с одновременным угнетением апоптоз-стимулирующих генов, таких как Casp1, Casp8 и LTA [20]. Далее авторами было установлено, что в модуляции активности генов как на транскрипционном уровне, так и в процессе трансляции, критически важную роль играют микроРНК. ВП, полученные из клеток, лишенных эндонуклеазы Dicer[15], а также из клеток, трансфицированных антагомирами[16], в частности AmiR 126 и AmiR 296, лечебным эффектом не обладают [17]. В 2014 г. на мышиной модели рабдомиолизного ОПП авторы показали лечебный эффект ВП, полученных из стволовых клеток печени человека [11]. При прочих равных условиях более легкие и мелкие ВП обладают большим эффектом. Например, полученная методом дифференциального ультрацентрифугирования фракция ВП 100 тыс. g, содержащая ВП размером 160±72 нм, оказалась в терапевтическом плане более эффективной, чем фракция 10 тыс. g со средним размером ВП 215±110 нм, Fig. 1 [27, p. 3]. Независимо от упомянутой выше итало-немецкой исследовательской группы защитный эффект ВП при ОПП подтвердили: - ученые университета Янгсу, КНР - на крысиной модели цис-платинового ОПП, использовавшие ВП из мезенхимальных стволовых клеток пуповины [8]; - южнокорейские исследователи - на ишемической реперфузионной модели ОПП, применившие ВП, полученные из мезенхимальных стволовых клеток почек [16]; - группа экспериментаторов из научно-исследовательских организаций Шанхая, КНР, работавшая с мезенхимальными клетками стромы вартонова студня человеческой пуповины как источника ВП [19]; - а также канадско-британский исследовательский коллектив - на мышиной ишемической реперфузионной модели ОПП с использованием ВП из культуры человеческих колониеформирующих клеток эндотелия пупочной вены [10]. Клинические исследования Как уже отмечено выше, пока по данной теме проводится единственное клиническое испытание. Официальное название - Острое повреждение почек в педиатрической кардиохирургии[17], NCT02289040. Строго говоря, данное исследование не ставит целью использовать ВП для лечения ОПП. Это в полной мере пилотный проект, задачей которого является получение предварительной информации о том, какова роль ВП и содержащихся в них микроРНК в патогенезе/саногенезе ОПП после операций с использованием искусственного кровообращения у детей с врожденными пороками сердца. Исследование проводится на базе клиники Лестерского университета (University of Leicester), Великобритания. Дизайн: проспективное контролируемое открытое исследование. Планируется обследовать 24 ребенка. Испытание впервые зарегистрировано 13 ноября 2014 г., однако по состоянию на 6 декабря 2017 г. находится в подготовительной стадии и запись пациентов еще не начиналась. Заключение Вышеизложенное указывает на очевидный трансляционный потенциал использовании ВП в лечении ОПП. В планируемой серии статей в аналогичном плане будут рассмотрены и другие нозологические формы, такие как инсульт, инфаркт миокарда, сахарный диабет, критических размеров травматические дефекты костей, спинальная травма и др., при которых применение ВП можно рассматривать как перспективное.
×

References

  1. Бельских А.Н., Голота А.С., Крассий А.Б., Нагибовмч О.А. - Клеточные технологии в нефрологии: современное состояние и перспективы для военной медицины // Воен. мед. журн. - 2015. - Т. 336, № 9. С. 55-60.
  2. A community compendium for extracellular vesicles. URL: http://www.microvesicles.org/ (дата обращения: 05.12.2017).
  3. A Good Manufacturing Practice-grade standard protocol for exclusively human mesenchymal stromal cell-derived extracellular vesicles / Pachler K. et al. // Cytotherapy. 2017, Vol. 19, No 4. P. 458-472. URL: http://www.celltherapyjournal.org/article/S1465-3249(17)30003-8/pdf (дата обращения: 05.12.2017).
  4. Abstract Book: ISEV2017 // J Extracell vesicles. 2017. Vol. 6, Suppl 1. 228 p. PDF. URL: http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/20013078.2017.1310414 (дата обращения: 05.12.2017).
  5. Bacterial vesicles in marine ecosystems / Biller S.J. et al. // Science. 2014. Vol. 343, No 6167. P. 183-186. PDF. URL: https://www.unomaha.edu/college-of-arts-and-sciences/molecular-parasitology-lab/_files/docs/jc20140117.pdf (дата обращения: 05.12.2017).
  6. Cell-Derived Microparticles[MeSH Terms] // US National Library of Medicine. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Cell-Derived %20Microparticles%5BMeSH%20Terms%5D (дата обращения: 06.12.2017).
  7. Ciccia E., Devarajan P. Pediatric acute kidney injury: prevalence, impact and management challenges // Int J Nephrol Renovasc Dis. 2017. Vol. 10. P. 77- 84. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5386613/pdf/ijnrd- 10-077.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  8. Exosomes released by human umbilical cord mesenchymal stem cells protect against cisplatin-induced renal oxidative stress and apoptosis in vivo and in vitro / Zhou Y. et al. // Stem Cell Res Ther. 2013. Vol. 4, No 2. Art 34. 13 p. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3707035/pdf/scrt194.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  9. Extracellular vesicles and viruses: Are they close relatives? / Nolte-‘t Hoen et al. // PNAS. 2016. Vol. 1113, No 33. P. 33 9155-9161. PDF. URL: http://www.pnas.org/content/113/33/9155.full.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  10. Human endothelial colony-forming cells protect against acute kidney injury: role of exosomes / Burger D. et al. // Am J Pathol. 2015. Vol. 185, No 8. P. 2309-2323. PDF. URL: http://ajp.amjpathol.org/article/S0002-9440(15)00268-0/pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  11. Human liver stem cells and derived extracellular vesicles improve recovery in a murine model of acute kidney injury / Herrera Sanchez M.B. et al. // Stem Cell Res Ther. 2014. Vol. 5, No 6. Art 124. 11 p. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4446072/pdf/13287_2014_A rticle_436.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  12. Kalra H., Drummen G.P., Mathivanan S. Focus on Extracellular Vesicles: Introducing the Next Small Big Thing // Int J Mol Sci. 2016. 17, No 2. Art 170. 30 p. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4783904/pdf/ijms-17-00170.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  13. Kim Y.K., Kim B., Kim V.N. Re-evaluation of the roles of DROSHA, Export in 5, and DICER in microRNA biogenesis // Proc Natl Acad Sci U S A. 2016. Vol. 113, No 13. P. E1881-1889. PDF. URL: http://www.pnas.org/content/113/13/E1881.full.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  14. Manufacturing of Human Extracellular Vesicle-Based Therapeutics for Clinical Use / Gimona M. et al. // Int J Mol Sci. 2017. Vol. 18. Art 1190. 19 p. PDF. URL: www.mdpi.com/1422-0067/18/6/1190/pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  15. Mesenchymal stem cell-derived microvesicles protect against acute tubular injury / Bruno S. et al. // J Am Soc Nephrol. 2009. Vol. 20, No 5. P. 1053- 1067. PDF. URL: http://jasn.asnjournals.org/content/20/5/1053.full.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  16. Microparticles from kidney-derived mesenchymal stem cells act as carriers of proangiogenic signals and contribute to recovery from acute kidney injury / Choi H.Y. et al. // PLoS One. 2014. Vol. 9, No 2. Art e87853. 13 p. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3913695/pdf/pone.0087853.p df (дата обращения: 06.12.2017).
  17. Microvesicles derived from endothelial progenitor cells protect the kidney from ischemia-reperfusion injury by microRNA-dependent reprogramming of resident renal cells / Cantaluppi V. et. al. // Kidney Int. 2012. Vol. 82, No 4. P. 412-427. PDF. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.469.3096&rep=rep1&type=pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  18. Microvesicles derived from human adult mesenchymal stem cells protect against ischaemia-reperfusion-induced acute and chronic kidney injury / Gatti S. et al. // Nephrol Dial Transplant. 2011. Vol. 26, 5. P. 1474-1483. PDF. URL: https://www.researchgate.net/profile/Stefania_Bruno/publication/49839644_ Microvesicles_derived_from_human_adult_mesenchymal_stem_cells_protect _against_ischaemia-reperfusioninduced_acute_and_chronic_kidney_injury/links/562768e908ae2b313c5493a1.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  19. Microvesicles derived from human Wharton's Jelly mesenchymal stromal cells ameliorate renal ischemia-reperfusion injury in rats by suppressing CX3CL1 / Zou X. et al. // Stem Cell Res Ther. 2014. Vol. 5, No 2. Art 40. 13 p. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4055103/pdf/scrt428.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  20. Microvesicles derived from mesenchymal stem cells enhance survival in a lethal model of acute kidney injury / Bruno S. et al. // PLoS One. 2012. Vol. 7, No 3. Art:e33115. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3303802/pdf/pone.0033115.p df (дата обращения: 06.12.2017).
  21. Nanoparticle tracking analysis // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Nanoparticle_tracking_analysis (дата обращения: 06.12.2017).
  22. Ozkok S., Ozkok A. Contrast-induced acute kidney injury: A review of practical points // World J Nephrol. 2017. Vol. 6, No 3. P. 86-99. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5424439/pdf/WJN-6-86.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  23. Pan B.T., Johnstone R.M. Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: selective externalization of the receptor. Cell. 1983. Vol. 33, No 3. P. 967-978. PDF. URL: http://www.cell.com/cell/pdf/0092-8674(83)90040-5.pdf?_returnURL=http %3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2F0092867483900405%3Fshowall%3Dtrue (дата обращения: 06.12.2017).
  24. Park J.T. Postoperative acute kidney injury // Korean J Anesthesiol. 2017. Vol. 70, No 3. P. 258-266. PDF. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5453887/pdf/kjae-70-258.pdf (дата обращения: 06.12.2017).
  25. Prakash J., Ganiger V.C. Acute Kidney Injury in Pregnancy-specific Disorders // Indian J Nephrol. 2017. Vol. 27, No 4. P. 258-270. HTML. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5514821/ (дата обращения: 06.12.2017).
  26. Recent developments in the nomenclature, presence, isolation, detection and clinical impact of extracellular vesicles / van der Pol E. et al. // J Thromb Haemost. 2016. Vol. 14, No 1. P. 48-56. PDF. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jth.13190/epdf (дата обращения: 06.12.2017).
  27. Renal Regenerative Potential of Different Extracellular Vesicle Populations Derived from Bone Marrow Mesenchymal Stromal Cells / Bruno S. et al. // Tissue Eng Part A. 2017. Vol. 23, No 21-22. P. 1262-1273. PDF. URL: http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ten.tea.2017.0069 (дата обращения: 06.12.2017).
  28. Size-exclusion chromatography // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Size-exclusion_chromatography (дата обращения: 06.12.2017).
  29. Stensballe A., Bennike T. Unfiltered beer: a rich source of yeast extracellular vesicles / 3rd Int Meeting of ISEV 2014. Rotterdam, The Netherlands, April 30th-May 3rd 2014 // J Extracell Vesicles. 2014. Vol. 3. Suppl 1. Abstr. OP2-121. P. 27. URL: http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.3402/jev.v3.24214?needAccess=true (дата обращения: 06.12.2017).
  30. Tunable Resistive Pulse Sensing // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Tunable_resistive_pulse_sensing (дата обращения: 06.12.2017).
  31. Visiclepedia. URL: http://microvesicles.org/index.html (дата обращения: 06.12.2017).

Copyright (c) 2018 Eco-Vector

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies