Terapia e diagnóstico com exossomos: o caminho para torná-los gigantes clínicos

Os exossomos são um subconjunto de vesículas extracelulares de tamanho nanométrico liberadas das células como parte de sua fisiologia normal ou como resultado de patologias específicas. No nosso blog anterior sobre evolução exossomal, discutimos o avanço dessas nanopartículas naturais, desde sua descoberta até o recente boom na pesquisa de vesículas extracelulares.

Na segunda parte desta série de três blogs, exploraremos mais informações do CAS Content Collection™, a maior coleção de conhecimento científico publicado com curadoria humana, resumindo as principais aplicações da terapia de exossomos na administração e diagnóstico de medicamentos.

Tendências crescentes da pesquisa em terapias com exossomos

Usando o CAS Content Collection, analisamos a presença e tendências de determinados conceitos-chave em publicações científicas relevantes para aplicações de exossomos na administração de medicamentos e diagnósticos (Figura 1). As palavras-chave "targeting" (alvo) e "biomarker" (biomarcador) ficaram entre as mais procuradas, refletindo o crescente interesse em exossomos na terapêutica. Significativamente, a análise dos principais conceitos durante os anos de 2017-2021 revelou um aumento acentuado no termo "blood-brain barrier" (barreira hematoencefálica) nos últimos dois anos, indicando a importância desse tópico na pesquisa de terapias com exossomos. Como aprendemos na primeira parte, os exossomos podem atravessar a barreira hematoencefálica. A capacidade de cruzar essa barreira altamente seletiva não apenas torna os exossomos ferramentas valiosas de diagnóstico, mas também pode fornecer um meio de fornecer carga terapêutica ao cérebro, ajudando a tratar o câncer e lesões cerebrais traumáticas.

Figura 1. Conceitos-chave nas publicações científicas relevantes para as aplicações de exossomos na administração de medicamentos e diagnóstico: (A) Número de publicações que exploram os conceitos-chave relacionados às aplicações de exossomos em terapia e diagnóstico. (B) Tendências nos principais conceitos apresentados nos artigos relacionados a aplicações e diagnósticos de terapia de exossomos durante os anos de 2017-2021. As porcentagens são calculadas com números de publicações anuais para cada conceito-chave, normalizados pelo número total de publicações para o mesmo conceito no mesmo período.

O primeiro passo vital na terapia de exossomos: isolamento e purificação de exossomos

Antes que os exossomos possam ser utilizados na prática médica em larga escala, é crucial que essas partículas nanométricas possam ser distinguidas com precisão de um amplo espectro de detritos celulares e componentes interferentes. Ainda não existe uma única abordagem padronizada para a separação e análise de exossomos, com cada abordagem fornecendo pontos fortes e limitações únicos (resumidos na Tabela 1). Embora a ultracentrifugação já tenha sido considerada a melhor abordagem-padrão, a precipitação e os métodos microfluídicos se mostraram mais populares nos últimos anos devido à sua capacidade de purificar exossomos sem causar danos potenciais (Figura 2). A combinação de vários desses métodos tem sido sugerida como uma estratégia promissora para melhorar o resultado do isolamento. Ou seja, fornecer subconjuntos de exossomos com alta pureza em relação ao tamanho, morfologia, concentração, presença de marcadores enriquecidos com exossomos e ausência de contaminantes.

Tabela 1. Principais métodos de isolamento/purificação de exossomos

Figura 2. Tendências no número de documentos relacionados a aplicações de terapia de exossomos e diagnósticos relativos a vários métodos de isolamento de exossomos durante os anos de 2014-2021. (As porcentagens são calculadas com números de publicações anuais para cada método de isolamento, normalizados pelo número total de publicações para o mesmo método de isolamento no mesmo período).

Terapia de exossomos e administração de medicamentos

Depois que os exossomos forem extraídos e purificados, como podemos transformá-los em sistemas eficazes de administrar medicamentos? Felizmente, os exossomos são feitos para essa função, combinando os benefícios dos nanocarreadores sintéticos e dos sistemas de administração de medicamentos mediados por células, evitando suas limitações. O primeiro passo para aproveitar essas propriedades é o “carregamento de carga”, o processo de carregamento de exossomos com materiais terapêuticos. Vários métodos de carregamento de carga têm sido empregados para esse fim, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens (Tabela 2).

Tabela 2. Técnicas de carregamento de carga

Como um tipo de mensageiros de célula para célula, os exossomos desempenham um papel crucial em diferentes processos fisiológicos. Consequentemente, exossomos secretados por diferentes tecidos e células exibem propriedades exclusivas. Por exemplo, descobriu-se que os exossomos derivados de tumores afetam propriedades do tumor, como crescimento, angiogênese, invasão e metástase. Em contraste, exossomos de células-tronco mesenquimais (MSCs) têm propriedades que as tornam ideais para uso como adjuvantes no apoio e complementação de outras modalidades terapêuticas. Na verdade, a Direct Biologics, uma empresa sediada nos EUA, está explorando a utilidade do ExoFlo terapêutico derivado de MSC em ensaios clínicos para colite ulcerosa, rejeição de órgãos transplantados e covid-19, entre outros.

Embora as aplicações potenciais da terapia exossomal sejam amplas, de longe a área mais comum de pesquisa exossomal é o câncer, seguido por inflamações e infecções. Ao analisar a correlação entre células doadoras de exossomos e as doenças às quais foram aplicadas, percebemos um padrão claro. Células apresentadoras de antígenos e células NK (natural killer) são usadas com mais frequência em estudos de câncer. Os macrófagos e as células-tronco são mais usados nas inflamações, enquanto as células apresentadoras de antígenos e células T são usadas com frequência nas infecções (Figura 3).

Figura 3. Correlação entre células doadoras de exossomos e doenças às quais os exossomos têm sido aplicados nos estudos relacionados à terapia e diagnóstico de exossomos, conforme representado pelo número de documentos no CAS Content Collection.

As muitas aplicações direcionadas da terapia de exossomos

Outra aplicação notável e em rápida expansão dos exossomos é seu uso como agentes terapêuticos. Os sistemas de exossomos têm sido aplicados como ferramentas terapêuticas ou de diagnóstico para uma ampla variedade de distúrbios. Nossa análise do CAS Content Collection mostra que a maioria das publicações (68%) sobre terapia com exossomos está associada ao câncer. Foi demonstrado que microRNAs exossomais (miRNAs) inibem a proliferação, migração e invasão de células cancerígenas. Essa abordagem tem sido explorada para vários subtipos de células malignas, incluindo cânceres de bexiga, colorretal e de mama. Os exossomos também têm enorme potencial terapêutico em doenças neurodegenerativas, inflamatórias e cardiovasculares, que também estão representadas (Figura 4).

Figura 4. Distribuição das publicações no CAS Content Collection relacionadas às aplicações da terapia de exossomos e diagnósticos com relação às doenças-alvo.

Como os exossomos estão envolvidos na patogênese de doenças como o câncer, uma estratégia terapêutica bem-sucedida pode envolver a redução da produção e circulação elevadas de exossomos a níveis normais para prevenir a progressão da doença. Vários estudos em andamento exploram os impactos da modulação da via de terapia exossomal em várias etapas, incluindo sua produção, liberação e absorção. A eliminação física de exossomos também foi explorada em células cancerígenas. A hipótese levantada pelos pesquisadores era de que essa eliminação pode dificultar a comunicação entre as células tumorais que contribuem para a progressão do tumor.

Uso diagnóstico dos exossomos

Para ser viável para uso clínico, um biomarcador deve exibir várias propriedades. Ele deve ser de fácil acesso, econômico, específico, altamente sensível e mensurável. Devido às suas propriedades únicas, os exossomos atendem a muitos desses requisitos, mostrando superioridade sobre os biomarcadores convencionais baseados em soro, particularmente no que tocante à sensibilidade e precisão do diagnóstico.

Existem várias vantagens em empregar exossomos dessa forma terapêutica. Em primeiro lugar, como o estado patológico das células afeta muito o conteúdo dos exossomos (como observado na doença de Alzheimer), o estudo dessas vesículas extracelulares pode fornecer uma janela para o estado da doença no tecido. Eles também são naturalmente estáveis, com uma bicamada lipídica que os torna resistentes à degradação, mesmo em microambientes hostis. Em termos de praticidade, os exossomos podem ser isolados de forma simples e não invasiva a partir de fluidos biológicos como urina, sangue e até lágrimas. Uma vez extraídos, eles podem ser armazenados por congelamento, liofilização ou secagem por pulverização. Finalmente, ao contrário de muitos biomarcadores séricos convencionais, os exossomos podem atravessar a barreira hematoencefálica, fornecendo informações sobre as células cerebrais que, de outra forma, seriam difíceis de obter. Vários candidatos a biomarcadores de proteínas exossomais (Tabela 3) e biomarcadores de ácido nucleico (Tabela 4) estão sendo explorados atualmente. Para obter a lista expandida desses biomarcadores, consulte nossa publicação da ACS, Exosomes – Nature's Lipid Nanoparticles, A Rising Star in Drug Delivery and Diagnostics.

Tabela 3. Exemplos de proteínas exossomais para aplicações de diagnóstico clínico

Tabela 4. MiRNAs exossomais como agentes diagnósticos e terapêuticos do câncer

O interesse pelos exossomos como biomarcadores é refletido no grande crescimento do número de documentos relacionados às aplicações de terapia e diagnóstico de exossomos, conforme revelado pela análise do CAS Content Collection (Figura 5). Embora, à primeira vista, a impressão seja de que os documentos relacionados à terapêutica são os mais frequentes, a porcentagem geral de documentos é distribuída igualmente entre as duas aplicações.

Figura 5. Aplicação diagnóstica vs. terapêutica de exossomas: (A) Comparação do número de documentos relativos a aplicações de terapia de exossomos vs. diagnósticos; Inset: crescimento anual do número de documentos relacionados a aplicações de exossomos em terapia vs. diagnóstico. (B) Comparação do número de documentos relacionados com aplicações de exossomos em terapia vs. diagnóstico relacionados aos seus indicadores de função (THU, terapêutico; DGN, diagnóstico).

Embora a pesquisa atual de terapia com exossomos seja promissora, muitos estudos continuam no estágio pré-clínico. Dito isso, quão perto estamos de utilizar todo o potencial dos exossomos na terapêutica e diagnóstico? Quais são os obstáculos e desafios que nos impedem de avançar? No artigo final da nossa série, descobriremos os principais participantes na pesquisa de exossomos, com atualizações sobre as iniciativas de pesquisa mais relevantes neste campo emocionante e dinâmico. Enquanto isso, você pode ler mais em nosso relatório de insights sobre exossomos.