Ciblage de la délivrance de médicaments efficace au moyen de nanoparticules d’exosomess

Les exosomes sont de petites vésicules (de 30 à 120 nm en général), formées par le bourgeonnement vers l’intérieur des compartiments endocytiques et sécrétées par la fusion de ces endosomes contenant des vésicules avec la membrane plasmique. Les exosomes sont sécrétés par la plupart des types de cellule et se trouvent dans les fluides corporels comme le plasma, l’urine, la salive, le sérum et le liquide céphalorachidien.1 De plus en plus d’éléments suggèrent le rôle important des exosomes dans la communication intercellulaire par le biais du transport et de la délivrance de composants cellulaires comme les lipides, les protéines et les acides nucléiques.

Les exosomes ont récemment suscité un intérêt considérable en tant que biomatériaux potentiels pour la délivrance de médicaments. Tout d’abord, dans la mesure où les exosomes contiennent des composants cellulaires endogènes, certains exosomes peuvent être équipés de manière à cibler des types cellulaires et des tissus spécifiques pour leur permettre de surmonter des barrières biologiques, comme la barrière hémato-encéphalique. Ensuite, compte tenu de leur origine endogène, les exosomes sont moins susceptibles d’être immunogènes ou cytotoxique que d’autres systèmes de délivrance synthétiques. Enfin, la double couche lipidique des exosomes peut protéger le médicament de la clairance sanguine rapide et réduire la cytotoxicité associée aux effets des médicaments hors cible.

Qu’est-ce qui contribue à l’efficacité des exosomes en tant qu’outils de délivrance de médicaments ?

Les caractéristiques intrinsèques et les composants des exosomes en font un candidat idéal pour la délivrance de médicaments.2 Les exosomes sont suffisamment importants pour éviter la clairance rénale rapide et suffisamment petits pour ne pas être absorbés par le système réticulo-endothélial. Les petites nanoparticules comme les exosomes (de 10 à 100 nm en général) s’accumulent de préférence sur les sites de tumeurs solides en raison d’un système vasculaire qui fuit et d’un drainage lymphatique anormal, ce qui en fait un candidat attrayant pour la délivrance de médicaments dans certains types de cancer.3

Comme d’autres vésicules, les exosomes sont constitués d’une double couche lipidique, qui forme un compartiment interne aqueux et une couche externe lipophile. Cette structure permet le chargement de matériels hydrophobes et de matériels hydrophiles dans les exosomes. Bien que le type et la quantité de composants cellulaires des exosomes varient fortement, il semble que certains lipides, protéines et acides nucléiques soient contenus plus fréquemment que d’autres. Les exosomes contiennent des quantités élevées de cholestérol, de sphingolipides, de phosphoglycérides, de céramides et de chaînes d’acides gras saturés,4 et l’intégration de ces molécules rigides semble contribuer à la stabilité des exosomes.

On trouve dans les exosomes différentes protéines liées aux membranes et protéines intramembranaires. Les plus courantes d’entre elles sont les protéines de transport membranaire et de fusion, les complexes majeurs d’histocompatibilité, les protéines de choc thermique, les tétraspanines, les protéines du complexe endosomique de tri et de transport (Endosomal Sorting Complex Required for Transport, ESCRT) et les protéines associées à des radeaux lipidiques.2 Les exosomes contiennent également des protéines enrichies spécifiques au type cellulaire dont elles sont sécrétées. Par exemple, les exosomes dérivés de cellules dendritiques sont enrichis de protéines apparentées au choc thermique (hsc73), une protéine qui peut jouer un rôle dans les effets antitumoraux observés avec les exosomes dérivés de cellules dendritiques.5

Les exosomes contiennent également des acides nucléiques, dont l’acide ribonucléique (ARN) non codant, l’ARN messager et les micro-ARN. Fait intéressant, ces ARN peuvent se trouver dans le compartiment aqueux de l’exosome ou être fixés à l’extérieur des exosomes au moyen de la protéine Argonaute2.6 Certains micro-ARN peuvent être ciblés et conditionnés dans l’exosome par une protéine qui reconnaît les motifs courts de l’ARN,7 suggérant que l’ARN peut être conditionné sélectivement dans les exosomes.

Exemples de délivrance de médicaments à partir des exosomes

Dans la mesure où les exosomes sont libérés par différents types de cellule, il existe différentes options pour la sélection de la cellule donneuse à partir de laquelle des exosomes sont sélectionnés. Les propriétés biologiques des exosomes et le rendement des exosomes pour le type de cellule spécifique sont deux facteurs importants qui jouent un rôle dans la sélection. Il a été montré, par exemple, que les exosomes dérivés de cellules dendritiques stimulent les réponses immunitaires antitumorales de façon plus puissante que les exosomes dérivés de cellules tumorales EG7. Ce qui suggère que les exosomes dérivés de cellules dendritiques contiennent davantage de facteurs moléculaires en mesure de stimuler la prolifération et la différenciation des lymphocytes T ou d’interagir plus efficacement avec des lymphocytes T que les exosomes dérivés de tumeurs.8 La quantité d’exosomes libérés par un type de cellule spécifique est un autre facteur de sélection de cellule donneuse. Les cellules souches mésenchymateuses ont été identifiées comme un type de cellule particulièrement prometteur pour de nombreuses raisons, dont la forte production d’exosomes, la facilité d’isolement, la capacité de s’étendre dans des cultures à grande échelle9,10 et le fait de favoriser la survie des cellules.11,12

Il est essentiel d’assurer la pureté et l’abondance des exosomes, au niveau des milieux de culture cellulaire ou des fluides corporels, pour le développement de la délivrance de médicaments à base d’exosomes. En règle générale, les exosomes sont purifiés par centrifugation différentielle, et leur rendement est mesuré par différentes méthodes de détermination protéique.13 D’autres stratégies alternatives comprennent la filtration, l’isolement par immuno-affinité et les techniques microfluidiques qui isolent rapidement les exosomes pour l’analyse structurelle et physique, mais on ne sait pas si les exosomes purifiés à l’aide de ces nouvelles techniques seraient viables dans le cadre de la délivrance de médicaments.

Des agents thérapeutiques ont été chargés dans des exosomes au moyen de techniques in vitro14 et ex vivo15. Plusieurs techniques ex vivo, dont des cycles de congélation-décongélation, la perméabilisation par la saponine, la sonication et les procédures d’extrusion ont été utilisées pour charger des médicaments dans des exosomes. La structure et l’activité des médicaments ont été conservées après chargement dans les exosomes. Il apparaît, par ailleurs, que les exosomes sont stables lorsqu’ils sont conservés à une température comprise entre -20 ⁰C et -80 ⁰C et lorsqu’ils sont soumis à différents cycles de congélation-décongélation.2

Délivrance d’agents thérapeutiques à travers la barrière hémato-encéphalique et orientations futures

L’un des plus grands défis de la chimiothérapie a été la délivrance de médicaments à travers certaines barrières biologiques, notamment la barrière hématoencéphalique. Les exosomes libérés par les glioblastomes ont été détectés dans le sérum, suggérant que les exosomes endogènes traversent la barrière hémato-encéphalique.16 Des préparations d’exosomes chargés de curcumine, un polyphénol ayant des propriétés anti-inflammatoires, ont également été délivrées par voie intranasale chez la souris, ce qui a entraîné une apoptose cellulaire microgliale indiquant que les préparations de vésicules peuvent franchir la barrière hémato-encéphalique.17 Enfin, les exosomes dérivés de cellules épithéliales du cerveau et chargés de médicaments anticancéreux ont montré leur capacité à franchir la barrière hémato-encéphalique et à induire une cytotoxicité dans les cellules tumorales chez le poisson zèbre.18 Pris dans leur ensemble, ces résultats suggèrent que les exosomes peuvent s’avérer particulièrement utiles pour délivrer des médicaments dans le cerveau. 

Même si la délivrance de médicaments à base d’exosomes semble être une voie thérapeutique prometteuse, quelques questions clés doivent être résolues avant de pouvoir la mettre en œuvre efficacement et en toute sécurité. Tout d’abord, les procédures d’isolement et de purification des exosomes doivent être normalisées afin d’éliminer les contaminants, comme les agrégats de protéines, et d’améliorer la reproductibilité. Ensuite, les cellules donneuses qui offrent une source stable d’exosomes doivent être identifiées, et les exosomes issus de ces cellules donneuses doivent être entièrement caractérisés. Enfin, des procédures plus efficaces de chargement des médicaments dans les exosomes doivent être élaborées afin d’optimiser la délivrance des médicaments. 

Références
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3. Prabhakar, U., Maeda, H., Jain, R., Sevick-Muraca, E. M., Zamboni, W., Farkokhzad, O. C., et al. Challenges and key considerations of the enhanced permeability and retention effect for nanomedicine drug delivery in oncology. Cancer Res. (2013) 73, 2412–2417. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-12-4561.

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6. Arroyo, J. D., Chevillet, J. R., Kroh, E. M., Ruf, I. K., Pritchard, C. C., Gibson, D. F., et al. Argonaute2 complexes carry a population of circulating microRNAs independent of vesicles in human plasma. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2011) 108, 5003–5008. doi: 10.1073/pnas.1019055108.

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8. Hao, S., Bai, O., Yuan, J., Qureshi, M. and Xiang, J. Dendritic cell-derived exosomes stimulate stronger CD8+ CTL responses and antitumor immunity than tumor cell-derived exosomes. Cell. Mol. Immunol. (2006) 3, 205–211. 

9. Lai, R. C., Yeo, R. W. Y., Tan, K. H. and Lim, S. K. Exosomes for drug delivery - a novel application for the mesenchymal stem cell. Biotechnol. Adv. (2013) 31, 543–551. doi: 10.1016/j.biotechadv.2012.08.008.

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12. Zhang, Z., Yang, J., Yan, W., Li, Y., Shen, Z., and Asahara, T. Pretreatment of Cardiac Stem Cells With Exosomes Derived From Mesenchymal Stem Cells Enhances Myocardial Repair. J. Am. Heart Assoc. (2016) 5, 1. doi: 10.1161/JAHA.115.002856.

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15. Haney, M. J., Klyachko, N. L., Zhao, Y., Gupta, R., Plotnikova, E. G., He, Z., et al. Exosomes as drug delivery vehicles for Parkinson’s disease therapy. J. Control. Release Off. J. Control. Release Soc. (2015) 207, 18–30. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.03.033.

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18. Yang, T., Martin, P., Fogarty, B., Brown, A., Schurman, K. Phipps, R., et al. Exosome delivered anticancer drugs across the blood-brain barrier for brain cancer therapy in Danio rerio. Pharm. Res. (2015) 32, 2003–2014. doi: 10.1007/s11095-014-1593-y.



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