Еxosomes: possibilities and prospects in the diagnosis and treatment of digestive diseases

Full Text

Введение

Изучение фундаментальных основ физиологии пищеварительного тракта, механизмов формирования и прогрессирования заболеваний органов пищеварения позволяет уже сегодня разрабатывать и внедрять индивидуализированные программы лечения больного. Одной из наиболее перспективных стратегий предиктивной и персонифицированной курации пациентов гастроэнтерологического профиля следует признать оценку экзосом, выступающих в качестве важных регуляторов межклеточной коммуникации.

В статье систематизированы и представлены сведения об экзосомах, их функции, методах экстракции и обнаружения, а также рассмотрены основные экзосомальные маркеры, демонстрирующие существенный потенциал для диагностики и лечения различных заболеваний пищеварительного тракта. Проведен систематический поиск статей в базах данных PubMed/MEDLINE, Embase и Google Scholar. Для поиска статей использовались комбинации из следующих ключевых слов на основе предметной медицинской рубрики MeSH: «экзосомы», «микроРНК», «рефлюкс-эзофагит», «хронический гастрит», «аутоиммунный гепатит», «фиброз печени», «хронический панкреатит», «воспалительные заболевания кишечника», «онкологические заболевания пищеварительного тракта». Критерии отбора статей для данного обзора сформированы в соответствии с международными рекомендациями, изложенными в стандарте PRISMA [1]. В анализ включались статьи, соответствующие тематике обзора, опубликованные на английском и русском языках в авторитетных и высокорейтинговых изданиях до апреля 2026 г., в том числе оригинальные исследования, систематические обзоры и метаанализы с ясным и корректным описанием методологического подхода, обеспечивающего воспроизводимость и валидность полученных данных. После применения критериев отбора в обзор включено в общей сложности 43 статьи.

Экзосомы: состав, физиологическая роль и биогенез

Внеклеточные везикулы, имеющие фосфолипидную мембрану и высвобождаемые во внеклеточный матрикс, по происхождению и размеру можно классифицировать на экзосомы (30–150 нм), микровезикулы (100 нм – 1 мкм) и апоптотические тельца (50–5000 нм). Богатые различными биологически активными веществами, преимущественно нуклеиновыми кислотами, липидами и белками, внеклеточные везикулы играют важную роль в межклеточной коммуникации и регуляции многих физиологических процессов в организме [2].

Экзосомы – самые маленькие из внеклеточных везикул, изначально обнаружены в ретикулоцитах, а первое подробное описание структуры и способа выделения опубликовано R. Johnstone и соавт. в 1987 г. [3].

Экзосомы состоят из разнообразных компонентов, включая белки, липиды и нуклеиновые кислоты – матричную РНК (mRNA), малые некодирующие молекулы РНК или микроРНК (miRNA), длинные некодирующие РНК (lncRNA) и кольцевые РНК (circRNA). Белковый состав экзосом варьируется в зависимости от типа родительской клетки и может быть представлен различными типами белков. Липидный состав экзосом представлен холестерином, сфинголипидами, фосфатидилхолином, фосфатидилэтаноламином, церамидом и глицерофосфолипидами [4]. Отличительный липидный состав и стабильная мембранная структура экзосом повышают их способность преодолевать биологические барьеры, что делает данные внеклеточные везикулы идеальными кандидатами для использования в качестве носителей в системах доставки лекарственных препаратов.

Биогенез экзосом – строго регулируемый процесс, который начинается с образования ранних эндосом путем внутреннего почкования плазматической мембраны (эндоцитоз) [5]. Ранние эндосомы могут быть рециркулированы обратно к плазматической мембране или созреть в поздние эндосомы. В процессе созревания мембрана эндосом дополнительно инвагинирует, инкапсулируя цитоплазматические компоненты для образования внутрипросветных везикул (ВПВ). Поздние эндосомальные структуры (микровезикулярные тела – МВТ), содержащие множество ВПВ, известны также как мультивезикулярные тела, которые в дальнейшем могут быть направлены в комплекс Гольджи для слияния с лизосомами и деградации или транспортироваться к плазматической мембране, где они высвобождают свои ВПВ в виде экзосом во внеклеточное пространство.

Сегодня известно, что экзосомы являются важными медиаторами межклеточной коммуникации, играют ключевую роль в поддержании гомеостаза в пищеварительном тракте, включая сохранение целостности эпителиального барьера, модуляцию иммунных ответов и регуляцию взаимодействия с микробиотой [4, 6].

Выделение экзосом из биологических жидкостей представляет собой достаточно трудную задачу, методы идентификации предложены Международным обществом внеклеточных везикул в 2018 г. и их условно можно разделить на немикроскопические и микроскопические [7]. К немикроскопическим методам относятся анализ отслеживания наночастиц, динамическое рассеяние света, иммуноферментный анализ и колориметрическое обнаружение, к микроскопическим – флуоресцентное обнаружение, трансмиссионную электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию и микрофлюидные технологии.

Структурные компоненты экзосом, процесс их высвобождения, а также спектр органов пищеварения, при патологии которых экзосомы потенциально могут быть использованы в качестве диагностических биомаркеров и средств таргетной лекарственной терапии, представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Биогенез, структура и возможное клиническое применение экзосом.

Fig. 1. Biogenesis, structure and possible clinical application of exosomes.

 

Диагностическая ценность экзосом при различных заболеваниях пищеварительного тракта

Рефлюкс-эзофагит

На модели хронического рефлюкс-эзофагита у экспериментальных мышей обнаружено повышение содержания сывороточных экзосомальных miR-29a-3p, чего не отмечено в других моделях, включая химическое повреждение пищевода, желудка и толстой кишки [8]. Установлено, что уровень сывороточной экзосомальной miR-29a-3p связан с экспрессией фактора транскрипции E2F1 и сигнального трансдуктора STAT3 в биоптатах слизистой оболочки пищевода. Известно, что E2F1 регулирует функцию генов, связанных с клеточным циклом [9], поэтому повышение его экспрессии может быть ассоциировано с гиперплазией базальных клеток в ответ на повреждение, тогда как гиперэкспрессия STAT3, опосредующего синтез провоспалительных цитокинов [10], может быть ранним предиктором формирования пищевода Барретта при хроническом рефлюкс-эзофагите.

Функциональная диспепсия и хронический гастрит

F. Tanaka и соавт. установили, что у пациентов с функциональной диспепсией и предшествующей инфекцией Helicobacter pylori в анамнезе значительно повышена экспрессия hsa-miR-3649 и hsa-miR-202-3p по сравнению с контрольной группой [11]. Согласно базе данных miRDB (https://mirdb.org/) наиболее вероятной мишенью hsa-miR-3649 является релаксин 2 – пептидный гормон, который участвует в регуляции желудочной аккомодации путем повышения активности нейрональной синтазы оксида азота (NO) и, как следствие, продукции NO. Таким образом, повышенная экспрессия hsa-miR-3649 может ингибировать активность релаксина 2, потенциально приводя к снижению активности синтазы NO и синтеза NO, в результате чего снижается расслабление тела и дна желудка в ответ на прием пищи. Эта же группа исследователей сообщила о снижении экспрессии hsa-miR-933 у пациентов с функциональной диспепсией без предшествующей инфекции H. pylori по сравнению со здоровыми лицами (р=0,0317) [12]. При этом уровень экспрессии hsa-miR-933 оказался связан с субъективной оценкой диспепсии и отрицательно коррелировал с частотой эпигастральной боли и/или жжения в эпигастрии (р<0,01 и р=0,0280 соответственно). Результаты этих 2 исследований подтвердили наличие различий в профиле экспрессии miRNA у пациентов с перенесенной ранее инфекцией H. pylori и у ранее не инфицированных.

Экзосомы, выделенные из сыворотки крови пациентов с хроническим H. pylori-ассоциированным гастритом, и некоторые miRNA, в частности miR-155, miR-146a, miR-223-3p, miR-1289, miR-1289, могут модулировать вызванное бактерией воспаление слизистой оболочки желудка и иммунный ответ макроорганизма посредством регуляции экспрессии провоспалительных цитокинов, прежде всего интерлейкина (ИЛ) 1α [13–15], а miR-584 нацелена на ключевой фактор вирулентности H. pylori – CagA, снижая его активность, что потенциально может использоваться в терапевтических целях [15].

Благодаря своей высокой стабильности и специфическим профилям экспрессии в различных тканях экзосомальные miRNA рассматриваются как новый класс диагностических биомаркеров прогрессирующего течения хронического гастрита и предраковых состояний. В частности, при хроническом гастрите miR-155 и let-7b регулируют воспаление, в то время как miR-92a-1-5p и miR-296-5p, модулируя сигнальные пути CDX2/FOXD1 и ERK, способствуют развитию кишечной метаплазии [16]. Продемонстрировано, что в условиях инфицирования H. pylori miR-155 и let-7b подавляют воспаление в слизистой оболочке желудка посредством снижения продукции провоспалительных цитокинов – фактора некроза опухоли α, ИЛ-6, 23 и ингибирования активности транскрипционного фактора. Полученные результаты открывают перспективы для использования miR-155 и let-7b в качестве таргетных средств профилактики и лечения H. pylori-ассоциированного гастрита.

Установлено, что экспрессия сывороточной экзосомальной hsa-miR-122-5p значительно повышена у пациентов с хроническим атрофическим гастритом (ХАГ) и коррелирует с неинвазивными серологическими маркерами атрофии (уровнем гастрина, соотношением пепсиногенов I/II) [17].

F. Zingone и соавт., проанализировав профиль экспрессии 4 miRNA (miR21, miR142, miR223, miR155) у пациентов с ХАГ различной этиологии (аутоиммунным, H. pylori-ассоциированным, смешанным), обнаружили повышение miR-21, а также снижение miR-142 и miR-223 среди всех групп больных с предраковыми изменениями слизистой оболочки желудка по сравнению со здоровыми лицами [18]. При этом достоверные различия в зависимости от этиологии обнаружены только для miR223, которая в зависимости от микроокружения или внешних факторов, таких как курение, прием некоторых лекарственных средств, например, антиагрегантов и нестероидных противовоспалительных препаратов и др., может либо играть проонкогенную роль, либо обладать противовоспалительным действием. Так, увеличение экспрессии miR223 оказалось характерным для больных аутоиммунным гастритом в отличие от пациентов с H. pylori-ассоциированным ХАГ, при этом достоверных различий в экспрессии каких-либо miRNA среди пациентов с ХАГ аутоиммунной и смешанной этиологии не получено.

Аутоиммунный гепатит и фиброз печени

Известно, что miR-223-3p способна ослаблять воспалительные реакции, а экзосомы, полученные из мезенхимальных стволовых клеток костного мозга, могут выступать в качестве носителей для доставки miRNA в клетки. В экспериментальном исследовании на модели аутоиммунного гепатита обнаружено, что экзосомы мезенхимальных стволовых клеток костного мозга хорошо связывают miR-223-3p и доставляют ее в макрофаги, блокируя высвобождение ИЛ-1β, 6 и изменяя соотношение регуляторных Т-лимфоцитов и Т-хелперов 17 в сторону уменьшения количества последних, тем самым ослабляя воспалительную реакцию в печени [19]. Кроме того, введение экзосомальной miR-223 из мезенхимальных стволовых клеток костного мозга экспериментальным мышам с аутоиммунным гепатитом сопровождалось значительным снижением уровня аминотрансфераз [20]. Эти результаты в целом позволяют предположить, что экзосомы, полученные из мезенхимальных стволовых клеток, могут быть эффективно использованы при лечении аутоиммунного гепатита.

Показано, что экзосомы участвуют в развитии фиброза и цирроза печени и могут стать перспективными неинвазивными диагностическими маркерами и терапевтическими мишенями при хронических гепатитах различной этиологии [21, 22].

Хронический панкреатит

Хронический панкреатит характеризуется прогрессирующим развитием фиброза вследствие избыточного производства коллагена в панкреатических звездчатых клетках (ПЗК), активация которых регулируется фактором роста соединительной ткани CCN2. На мышиной модели алкогольного хронического панкреатита показано, что повышение уровня CCN2 в ПЗК связано с увеличением экспрессии miR-21, которая, в свою очередь, способна дополнительно стимулировать продукцию CCN2 [23]. Кроме того, miR-21 и CCN2 обнаружены в экзосомах из активированных ПЗК, что позволило сделать вывод о важной роли последних в прогрессировании хронического панкреатита и возможности их применения в терапии заболевания.

Воспалительные заболевания кишечника

Экспериментальные данные о том, что экзосомы из разных источников, включая мезенхимальные стволовые клетки пуповины человека (hucMSCs), дендритные клетки и макрофаги, могут ингибировать экспрессию ИЛ-17, фактора некроза опухоли α, ИЛ-1β, 6 и других провоспалительных цитокинов в слизистой оболочке толстой кишки [24], позволили выдвинуть предположение о возможных новых перспективах в диагностике и лечении больных воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК).

В настоящее время установлено, что пациенты с ВЗК имеют измененные паттерны экспрессии miRNA, в том числе в зависимости от фенотипа заболевания (язвенный колит, болезнь Крона). Однако важное значение имеет не столько дифференциальная экспрессия конкретных miRNA, сколько их взаимодействие с мишенями, что зависит от микроокружения, локализации и активности патологического процесса. Несмотря на широкую гетерогенность результатов проведенных клинических исследований, R. Yarani и соавт. описали 66 miRNA, обладающих существенным диагностическим и терапевтическим потенциалом при ВЗК [25]. Среди выявленных кандидатов наибольший интерес представляет miR-223-3p, которая значительно различается по уровню экспрессии при язвенном колите и болезни Крона как непосредственно в биоптатах слизистой оболочки, так и в сыворотке крови, поэтому может рассматриваться на роль надежного биомаркера ВЗК. Показано, что miR-223-3p участвует в активации макрофагов, регулирует экспрессию TLR4 и белка клаудина CLDN8, а также активность инфламмасомы NLRP3 [26].

Злокачественные новообразования органов пищеварения

Рак пищевода

Плоскоклеточный рак пищевода (ПКРП) – агрессивное злокачественное новообразование, часто диагностируемое на поздних стадиях, что подчеркивает необходимость его ранней диагностики и поиска специфических биомаркеров. На модели ПКРП показано, что miR-93-5p может транспортироваться между раковыми клетками посредством экзосом, потенциально способствуя их пролиферации через путь фосфатазы и гомолога тензина/фосфатидилинозитол-3-киназы/протеинкиназы B [27].

В ряде работ отмечено, что экзосомальные miRNA могут не только в выступать качестве диагностических биомаркеров, но также определять прогноз пациента и стать перспективной мишенью для терапии ПКРП [28]. Так, повышение содержания экзосомальной miR-21 в сыворотке крови у пациентов с ПКРП ассоциировано с прогрессированием опухоли и неблагоприятным прогнозом. Напротив, экзосомальная miR-375, полученная из hucMSCs, ингибировала экспрессию гомолога Enable из группы Ena/вазодилататор-стимулированных фосфопротеинов, известного также как белок Mena, посредством чего тормозила пролиферацию, инвазию и миграцию клеток ПКРП.

Сывороточные экзосомальные miRNA могут стать также потенциальными биомаркерами аденокарциномы пищевода [29].

Рак желудка

Согласно данным GLOBOCAN рак желудка (РЖ) занимает 5-е место среди наиболее распространенных видов рака в мире и среди причин онкологической смертности [30]. При изучении профиля экспрессии сывороточных miRNA у пациентов с РЖ установлены повышенные уровни miR-19b-3p, miR-106a-5p, miR10b-5p, miR132-3p, miR185-5p, miR195-5p, miR20a-3p и miR296-5p [31]. Группа исследователей под руководством H. Kahroba идентифицировала панель онко-miRNA, включающую экзосомальные miR-10a-5p, miR-19b-3p, miR-215-5p и miR-18a-5p как потенциальные биомаркеры РЖ [32].

Помимо miRNA lncRNA также рассматриваются как потенциальные диагностические биомаркеры РЖ. Сообщается, что экспрессия экзосомальной lncRNA PCSK2-2:1 у пациентов с РЖ значительно ниже, чем в контрольной группе, а диагностическая значимость экзосомальной lncRNA SLC2A12-10:1 в дифференциации пациентов с РЖ от здоровых людей превышает ценность традиционных опухолевых биомаркеров [33]. Описано также значительное повышение уровня экзосомальных lncUEGC1 и lncUEGC2 на ранних стадиях РЖ, при этом экспрессия экзосомальной lncUEGC1 достоверно выше у пациентов с РЖ на I стадии по сравнению с пациентами с ХАГ [34]. Данные результаты позволяют предположить потенциальную роль экзосомальных lncRNA в качестве маркеров для скрининга РЖ и проведения дифференциального диагноза между РЖ и предраковыми изменениями слизистой оболочки желудка.

Рак печени и желчных протоков

Исследования показали многообещающие результаты в отношении возможности использования экзосомальных miRNA в качестве потенциальных биомаркеров для диагностики гепатоцеллюлярной карциномы (ГЦК) и предикции неблагоприятного прогноза, а также плохого ответа на химиотерапию [35].

M. Eldosoky и соавт. показали, что оценка экзосомальных hsa-miR-21-5p, hsa-miR-155-5p и hsa-miR-199a-5p в комплексе с α-фетопротеином позволяет с более высокой чувствительностью и специфичностью, чем при использовании только α-фетопротеина, выявить ГЦК у пациентов с циррозом печени [36]. Более того, авторы сообщили, что соотношение hsa-miR-21-5p/hsa-miR-199a-5p и hsa-miR-155-5p/ hsa-miR-199a-5p позволяет дифференцировать ГЦК от цирроза печени (чувствительность 94 и 92% соответственно), а повышение уровня hsa-miR-21-5p в плазме может рассматриваться как независимый фактор риска развития ГЦК у пациентов с циррозом печени: отношение риска 1,198 (1,063–1,329).

Помимо miRNA другие некодирующие РНК также продемонстрировали потенциал в качестве диагностических биомаркеров ГЦК. Например, 16 некодирующих РНК значительно повышены в плазме крови пациентов с ГЦК, среди которых RN7SL1 может эффективно отличать опухолевые образцы от отрицательных контролей (AUC 0,87) [37].

Рак поджелудочной железы

Рак поджелудочной железы (РПЖ) отличается высокоагрессивным характером течения и известен своим крайне неблагоприятным прогнозом. Учитывая его быстрое прогрессирование и неспецифические симптомы, ранняя диагностика имеет первостепенное значение для повышения выживаемости пациентов.

Повышенные уровни экзосомальных miR-4525, miR-451a и miR-21 в портальной венозной крови потенциально могут выступать в качестве ценных биомаркеров для диагностики протоковой аденокарциномы поджелудочной железы и прогнозирования послеоперационного рецидива, а увеличение содержания сывороточных экзосомальных miR-21, miR-210, miR-10b, miR-3976 и miR-1246 – для обнаружения заболевания на ранней стадии [38].

X. He и соавт. идентифицировали 4 плазменных экзосомальных lncRNA (LINC01268, LINC02802, AC1 и AL132657.1), уровень которых значимо повышен у пациентов с РПЖ по сравнению со здоровыми людьми и которые демонстрируют значительный диагностический потенциал, обладая более высокой чувствительностью и специфичностью, чем традиционный биомаркер CA19-9 [39]. S. Melo и соавт. установили высокую специфичность и чувствительность сывороточных экзосом глипикана-1+ (GPC-1+ crExos) для дифференциации пациентов с РПЖ от пациентов с хроническим панкреатитом и здоровых лиц [40]. Показатель AUC для GPC-1+ crExos составил 1,0, что значительно превосходит таковой для CA19-9 (AUC 0,739).

Колоректальный рак

Колоректальный рак (КРР) признан во всем мире 3-м по распространенности злокачественным новообразованием и 2-й ведущей причиной смертности от рака [27]. В работе T. Bakhsh и соавт. выявлено 660 сывороточных miRNA у пациентов с КРР на разных стадиях заболевания, из которых 29 достоверно отличались по уровню экспрессии в сравнении со здоровыми лицами [41].

Установлено, что повышение трех плазменных экзосомальных miRNA (let-7b-3p, miR-139-3p и miR-145-3p) обеспечивает значительное преимущество в идентификации пациентов с КРР (AUC 0,927) [42]. Одновременно с этим Y. Shi и соавт. обнаружили четыре экзосомальные miRNA (miR-126, miR-1290, miR-23a и miR-940) в сыворотке крови пациентов с КРР, которые могут эффективно дифференцировать пациентов на ранней стадии опухолевого процесса от здоровых людей [43].

Заключение

В последние годы роль экзосом в физиологии и патологии органов пищеварения активно изучается. Реализация процессов межклеточной коммуникации, воспаления и канцерогенеза позволяет рассматривать экзосомы в качестве перспективных высокочувствительных маркеров ранней диагностики и мониторинга заболеваний пищеварительного тракта.

Наиболее значимыми, на наш взгляд, являются возможности идентификации различных типов экзосом в качестве прогностических факторов трансформации воспалительного процесса с развитием предраковых изменений слизистой оболочки и формирования когорты пациентов высокого риска рака. Разработка высокоинформативных диагностических систем с определением экзосом, а также реализация их терапевтической возможности позволит в дальнейшем более эффективно управлять течением заболевания, выстраивая персонифицированную траекторию курации пациента.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Все авторы в равной степени участвовали в подготовке публикации: разработка концепции статьи, получение и анализ фактических данных, написание и редактирование текста статьи, проверка и утверждение текста статьи.

Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

Список сокращений

ВЗК – воспалительные заболевания кишечника

ВПВ – внутрипросветные везикулы

ГЦК – гепатоцеллюлярная карцинома

ИЛ – интерлейкин

КРР – колоректальный рак

МВТ – микровезикулярные тела (поздние эндосомальные структуры)

ПЗК – панкреатические звездчатые клетки

ПКРП – плоскоклеточный рак пищевода

РЖ – рак желудка

РПЖ – рак поджелудочной железы

ХАГ – хронический атрофический гастрит

circRNA – кольцевые РНК

lncRNA – длинные некодирующие РНК

miRNA – малые некодирующие молекулы РНК или микроРНК

mRNA – матричная РНК

NO – оксид азота

About the authors

Igor V. Maev

Russian University of Medicine

Email: gaus_olga@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-6114-564X

акад. РАН, д-р мед. наук, проф., зав. каф. пропедевтики внутренних болезней и гастроэнтерологии 

Russian Federation, Moscow

Maria A. Livzan

Omsk State Medical University

Email: gaus_olga@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-6581-7017

чл.-кор. РАН, д-р мед. наук, проф., зав. каф. факультетской терапии и гастроэнтерологии, ректор 

Russian Federation, Omsk

Olga V. Gaus

Omsk State Medical University

Author for correspondence.
Email: gaus_olga@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9370-4768

д-р мед. наук, доц., проф. каф. факультетской терапии и гастроэнтерологии 

Russian Federation, Omsk

References

Supplementary files