Freitag, 19. Juni 2020 | Nina Klein

Das Potential von Exosomen erklärt

Der Begriff „Exosomen“ wurde in den letzten Jahren immer häufiger in den Nachrichten verwendet. Biologen und Forschern ist der Begriff seit ihrer Entdeckung in den 1980er Jahren bekannt, aber sie bleiben den meisten anderen Menschen ein fremder Begriff. Mit ihrer zunehmenden Relevanz im pharmazeutischen und medizinischen Bereich möchten wir auf einfache Weise erklären, was Exosomen sind und warum sie die medizinische Forschung nachhaltig verändern werden.

Was sind Exosomen?

Exosomen sind definiert als sehr kleine extrazelluläre Vesikel, die von den meisten Säugetierzellen produziert und freigesetzt werden. Vesikel sind abgegrenzte Partikel, die von einer Lipiddoppelschicht umgeben sind. Eine einfache Möglichkeit, sie sich vorzustellen, besteht darin, an kleine Lipidblasen zu denken, die Moleküle mit sich tragen.

Die Funktion von Exosomen besteht darin, Moleküle zwischen der Zelle und ihrer Umgebung zu transportieren. Mit anderen Worten, die Zelle setzt Exosomen frei, um mit anderen Zellen und Geweben zu kommunizieren. Durch Exosomen können Zellen physiologische Prozesse wie Gerinnung, interzelluläre Signalübertragung und Abfallmanagement steuern.

Exosomen sind in biologischen Flüssigkeiten wie Blut und Urin vorhanden und können auch in Geweben gefunden werden.

Was ist das Sekretom?

Das Sekretom einer Zellen sind alle nach außen abgegebenen Partikel und anderen Stoffe. D.h. das Sekretom beinhaltet neben den Exosomen auch Mikrovesikel, lösliche Proteine und Cytokine. Da auch diese Stoffe an Effekten durch Stammzellen beteiligt sind, verwendet die ANOVA IRM GmbH nicht aufgereinigte Exosomen sondern das gehaltvollere Sekretom.

Wie wurden Exosomen entdeckt?

Exosomen wurden 1983 in unreifen roten Blutkörperchen von Stahl und sein Team1, sowie fast zeitgleich von Johnstone et al.2 entdeckt. Der Begriff “Exosom” wurde ein paar Jahre später von Johnstone geprägt.3

Diese ersten Studien konnten zeigten, dass intraluminale Vesikel (ILVs), die in multivesikulären Körpern erzeugt werden, durch Fusion mit der Plasmamembran in den extrazellulären Raum freigesetzt werden können.

Diese Erkenntnisse waren zwar beeindruckend, weckten jedoch einige Jahrzehnte lang kein großes Interesse an Exosomen in der wissenschaftlichen Welt. Erst in den frühen 2000er Jahren wurde das Potential von Exosomen erkannt, was sich aus der deutlichen Zunahme an Veröffentlichungen über das Thema ableiten lässt (115 Veröffentlichungen im Jahr 2006, 1010 Veröffentlichungen im Jahr 2015)4.

Was tragen Exosomen in sich?

Exosomen können Proteine, Lipide und Nukleinsäuren transportieren. Was Exosomen in sich tragen ist nicht nur zelltypspezifisch, sondern wird auch vom Zustand der Zelle beeinflusst. Das bedeutet, dass abhängig von der Gesundheit und dem aktuellen Status der Zelle verschiedene Arten von Molekülen in den extrazellulären Raum gelangen sollen.

Eine herausragende Eigenschaft von Exosomen ist, dass sie nach Verletzungen oder in akuten Phasen einer Krankheit körpereigene regenerative Prozesse anregen können. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Exosomen aus mesenchymalen Stammzellen mehrere Prozesse aktivieren, die für die Reparatur von Knochenbrüchen und die Wundheilung wichtig sind. Diese Exosomen sind auch an der Regulation von immunvermittelten Reaktionen und entzündungshemmenden Prozessen beteiligt.

Es ist allerdings auch bekannt, dass Exosomen zahlreiche krankheitsassoziierte Moleküle in sich tragen können. Das liegt daran, weil sie auch aus Krebszellen freigesetzt werden oder neurodegenerativ assoziierte Peptide tragen können. Die Mechanismen, durch die sich krankheitsassoziierte Faktoren zwischen den Zellen ausbreiten, sind jedoch noch wenig bekannt.

Was ist der Unterschied zwischen Exosomen und extrazellulären Vesikeln?

Exosomen sind in der Tat ein Subtyp von extrazellulären Vesikeln (EVs). EVs werden im Allgemeinen als membrangebundene Partikel definiert, die aus fast allen bekannten Zellen freigesetzt werden. Sie enthalten Fracht und können sich nicht selbst replizieren. Die Größe eines EVs reicht von 20nm bis 10µm; Die Mehrheit der Vesikel ist jedoch kleiner als 200nm.

Die Freisetzung von Exosomen aus der Zelle erfolgt über sogenannte multivesikuläre Körper, die mit der Zelloberfläche, der äußeren Zellmembran, verschmelzen und die Vesikel freisetzen. Die Größe der Exosomen ist durch die des multivesikulären Körpers begrenzt. Aus diesem Grund sind Exosomen im Allgemeinen kleiner als die meisten anderen EVs, mit einem typischen Durchmesserbereich von 30 bis 150nm.

EVs haben eine Vielzahl von biologischen Funktionen, unter anderem die Beseitigung unerwünschter Zellmaterialien, die Übertragung von funktionellen Proteinen und RNA, das molekulare Recycling und die Kommunikation mit anderen Zellen.

Neben Exosomen gibt es noch andere Arten von EVs, wie apoptotische Körper und Ektosomen. Sie stammen von Zellen, die den kontrollierten Zelltod und Plasmamembranausscheidung durchlaufen, und haben daher unterschiedliche Funktionen im Vergleich zu Exosomen.

Wie kann man Exosomen in der Medizin einsetzen?

Exosomen können ein sehr vielseitiges Werkzeug in der pharmazeutischen Forschung sein, mit dem Potenzial, die Medizin auf viele verschiedene Arten zu verändern. Hier sind einige Bereiche, in denen Exosomen helfen können:

  • Regenerative Medizin: Es ist bekannt, dass Exosomen aus Stammzellen eine wesentliche Rolle bei der Wundreparatur, der Geweberegeneration und der Immunantwort spielen. Die kondensierte und gezielte Anwendung dieser Substanzen kann die natürlichen Regenerationsprozesse im Körper beschleunigen.
  • Diagnostische Verfahren: EVs spielen bei der Ausbreitung von Krankheiten eventuell eine Rolle. Spezifische Exosomenspiegel können z.B. im Serum von Krebspatienten oder Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen im Vergleich zu gesunden Menschen erhöht sein. Daher können Exosomen potenzielle Biomarker sein, um bestimmte pathologische Veränderungen bei Patienten zu erkennen.
  • Neuartige Therapien: Viele Studien haben gezeigt, dass der Gehalt an Exosomen bei neurodegenerativen Erkrankungen zu Tumorinvasion und Metastasierung sowie zum Tod neuronaler Zellen führen kann. Durch gezielte Manipulation Ihrer Ladung können Exosomen ausgezeichnete Träger von Therapeutika und Medikamenten sein, die diese krankheitsbedingten Wirkungen bei Patienten verändern und möglicherweise sogar umkehren. Ein weiteres Beispiel für eine neuartige Therapie sind von Patienten stammende Exosomen, die aktuell in mehreren klinischen Studien als neue Krebsimmuntherapie untersucht werden.
  • Impfstoffe: Die Möglichkeit von speziell entwickelten Exosomen als Impfstoffe gegen verschiedene Krankheiten, wie COVID-19, wird derzeit untersucht.

Warum sind Exosomen so vielseitig?

Was können Exosomen bewirken? Was sind die Vorteile von Exosomen?

Exosomen sind die Postboten der Zelle mit dem Potential, ausgezeichnete Wirkstoffträger zu sein. Mit ihrer Fähigkeit, viele verschiedene Arten von Molekülen zu transportieren, können sie als vielseitiges biologisches Werkzeug für neuartige Therapien dienen, beispielsweise in der regenerativen Medizin, Krebstherapie, Diagnostik und als Impfstoffe. Da Exosomen auf natürliche Weise aus der Zelle freigesetzt werden und ihre molekulare Struktur sehr simpel ist, können sie leicht in alle Bereiche des Körpers gelanden. In Kombination mit bestimmten Medikamenten oder RNA können sie so Orte erreichen, die ansonsten für das Medikament selbst schwer zu erreichen sind. Zusätzlich konnten neueste Studien zeigen, dass die Aufnahme von Arzneimitteln, wenn sie sich in Exosomen befinden, deutlich erhöht ist.

Ein weiterer Vorteil von Exosomen besteht darin, dass sie in vitro manipuliert werden können, was bedeutet, dass sie unter kontrollierten Bedingungen im Labor hergestellt werden können.

All diese Gründe zusammen machen Exosomen zu einem unglaublich vielseitigen biologischen Werkzeug.

Welche Krankheiten kann man mit Exosomen behandeln?

Wie bereits erläutert, werden derzeit viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Exosomen untersucht. Die meisten dieser Behandlungsmöglichkeiten befinden sich noch in der Entwicklung und stehen für Patienten größtenteils noch nicht zur Verfügung. Exosomen werden jedoch bereits als therapeutische Maßnahme in der regenerativen Medizin angeboten. So werden beispielsweise bei ANOVA Exosomen aus patienteneigenen Stammzellen extrahiert und angewendet. Diese als Stammzellsekretom bekannte Therapie verwendet die Summe aller natürlich freigesetzten bioaktiven Moleküle aus der Stammzelle, darunter Exosomen, Wachstumshormone, Zytokine und RNA, um die körpereigenen Regenerationsprozesse zu verbessern. Diese können für eine Vielzahl von Krankheiten angewendet werden, wie zum Beispiel

  • im orthopädischen Bereich (z.B. Knieverletzungen, Rückenverletzungen, Osteoarthritis)
  • im neurodegenerativen Bereich (z.B. Multiple Sklerose, Amyotrophe Lateralsklerose, Alzheimer, Parkinson)
  • Rückenmarkverletzungen
  • Lyme-Borreliose
  • Erektile Dysfunktion

Wenn Sie weitere Informationen zu derzeit verfügbaren Behandlungsoptionen mit Exosomen erhalten möchten, kontaktieren Sie uns, um einen Beratungstermin mit unseren Ärzten auszumachen.

 
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Quellenangaben, Referenzen und Literatur

  • 1 Harding, Clifford; Stahl, Philip (1983-06-15). "Transferrin recycling in reticulocytes: pH and iron are important determinants of ligand binding and processing". Biochemical and Biophysical Research Communications. 113 (2): 650–658.
  • 2 Pan, Bin-Tao; Johnstone, Rose M. (July 1983). "Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: Selective externalization of the receptor". Cell. 33 (3): 967–978.
  • 3 Johnstone RM, Adam M, Hammond JR, Orr L, Turbide C (July 1987). "Vesicle formation during reticulocyte maturation. Association of plasma membrane activities with released vesicles (exosomes)". The Journal of Biological Chemistry. 262 (19): 9412–20.
  • 4 Edgar, James R. "Q&A: What are exosomes, exactly?." BMC biology 14.1 (2016): 46.
  • 5 Kim MS, Haney MJ, Zhao Y, Mahajan V, Deygen I, Klyachko NL, Inskoe E, Piroyan A, Sokolsky M, Okolie O, Hingtgen SD, Kabanov AV, Batrakova EV (April 2016). "Development of exosome-encapsulated paclitaxel to overcome MDR in cancer cells". Nanomedicine. 12 (3): 655–664.

Patienten-Services des ANOVA Institute for Regenerative Medicine

  • Das Institut liegt in Offenbach am Main, im Herzen Deutschlands, weniger als 20 Minuten vom Frankfurter Flughafen entfernt
  • Individualisierte Therapie mit innovativen Stammzellprodukten
  • Individuell geplante diagnostische Untersuchungen mit modernen MR- und CT-Geräten und Blutuntersuchungen
  • Deutscher Qualitätsstandard (100% made in Germany) für Produktsicherheit und Qualitätssicherung
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