Administración eficaz de fármacos dirigidos con nanopartículas exosomales

Los exosomas son pequeñas vesículas (de entre 30 y 120 nm) que se forman por invaginación de compartimentos endocíticos y se segregan mediante la fusión de esos endosomas que contienen las vesículas con la membrana citoplasmática. La mayoría de los tipos celulares segregan exosomas y estos se pueden encontrar en fluidos corporales como plasma, orina, saliva, suero y líquido cefalorraquídeo.1 Cada vez son más las pruebas de que los exosomas desempeñan un importante papel en la comunicación intercelular a través del transporte y entrega de componentes celulares como lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Los exosomas han despertado un gran interés recientemente como posibles biomateriales para la administración de fármacos. En primer lugar porque como los exosomas contienen componentes celulares endógenos, ciertos exosomas se pueden equipar para que reconozcan determinados tipos celulares y tejidos, lo que les permite superar barreras biológicas como la barrera hematoencefálica. En segundo lugar, debido a su origen endógeno, es menos probable que los exosomas sean inmunogénicos o citotóxicos comparados con otros sistemas de administración sintéticos. Por último, la bicapa lipídica de los exosomas puede proteger el fármaco de un aclaramiento sanguíneo rápido y puede reducir la citotoxicidad relacionada con efectos no deseados de los fármacos.

¿Qué hace de los exosomas unos agentes eficaces en la administración de fármacos?

Las características y componentes intrínsecos de los exosomas los convierten en candidatos ideales para la administración de fármacos.2 Los exosomas son suficientemente grandes para evitar un rápido aclaramiento renal, pero también suficientemente pequeños para escapar a la captura del sistema reticuloendotelial. Las nanopartículas pequeñas como los exosomas (típicamente de entre 10 y 100 nm) se acumulan preferentemente en los lugares con tumores sólidos debido a la permeabilidad de los vasos y a un drenaje linfático anómalo, lo que las convierte en candidatas interesantes para la administración de fármacos en ciertos tipos de cáncer.3

Al igual que otras vesículas, los exosomas están formados por una bicapa lipídica, la cual da lugar a un compartimento interior acuoso y una capa externa lipófila. Esta estructura permite introducir en los exosomas materiales tanto hidrófobos como hidrófilos. Si bien los exosomas son enormemente variados en cuanto al tipo y cantidad de los componentes celulares que transportan, ciertos lípidos, proteínas y ácidos nucleicos parecen ser más frecuentes que otros. Los exosomas contienen gran cantidad de colesterol, esfingolípidos, fosfoglicéridos, ceramidas y cadenas de ácidos grasos saturados,4 y la incorporación de esas moléculas rígidas parece contribuir a la estabilidad de los exosomas.

En los exosomas se encuentran diversas proteínas de membrana e intracelulares. Las más habituales son proteínas de membrana de transporte y de fusión, los principales complejos de histocompatibilidad, proteínas de choque térmico, tetraspaninas, proteínas de complejos de clasificación endosómicos requeridos para el transporte (CCERT) y proteínas asociadas a balsas lipídicas.2 Los exosomas también contienen proteínas específicas correspondientes al tipo celular en el cual se han generado. Por ejemplo, los exosomas derivados de células dendríticas están enriquecidos con la proteína afín a choque térmico (hsc73), una proteína que puede influir en los efectos antitumorales observados en los exosomas derivados de células dendríticas.5

Los exosomas también contienen ácidos nucleicos, incluidos microARN, ARN no codificante y ARN mensajero. Lo interesante es que estos ARN se pueden hallar en el compartimento acuoso del exosoma o anclados al exterior del exosoma por una proteína argonauta2.6 Ciertos microARN pueden ser dirigidos y empaquetados en el exosoma por una proteína que reconoce secuencias cortas de ARN,7 lo que indica que los ARN se pueden empaquetar en los exosomas de forma selectiva.

Ejemplos de administración de fármacos mediante exosomas

Dado que muchas variedades de tipos celulares liberan exosomas, existen diversas opciones para seleccionar una célula donante a partir de la cual aislar los exosomas. Dos importantes factores que intervienen en la selección son las propiedades biológicas de los exosomas y la cantidad de exosomas producidos por cada tipo celular concreto. Por ejemplo, se ha visto que los exosomas derivados de células dendríticas estimulan respuestas antitumorales más potentes que los exosomas derivados de células tumorales EG7, lo cual indica que los exosomas derivados de células dendríticas contienen más factores moleculares que pueden estimular la proliferación y diferenciación de linfocitos T o interactuar con los linfocitos T de forma más eficaz que los exosomas derivados de tumores.8 Otro factor en la selección de células donantes de exosomas es la cantidad de exosomas liberados por un tipo celular concreto. Se han identificado las células madre mesenquimales como un tipo celular especialmente prometedor por muchas razones, entre las cuales se encuentran su gran producción de exosomas, su facilidad de aislamiento, la posibilidad de emplearlas en cultivos a gran escala9,10 y de favorecer la supervivencia celular.11,12

Garantizar la pureza y la abundancia de exosomas, ya sean procedentes de medios de cultivo celulares o de fluidos corporales, es fundamental para el desarrollo de las técnicas de administración de fármacos basadas en exosomas. Normalmente los exosomas se purifican mediante centrifugado diferencial y su producción se mide con varios métodos de determinación de proteínas.13 Otras técnicas que pueden usarse son la filtración, aislamiento por inmunoafinidad y técnicas microfluídicas que aíslan los exosomas rápidamente mediante análisis físico y estructural. No obstante, no está claro si los exosomas purificados con estas nuevas técnicas serán viables para la administración terapéutica.

Se ha conseguido cargar agentes terapéuticos en los exosomas utilizando técnicas in vitro14 y ex vivo15. Para cargar fármacos en los exosomas se han utilizado varias técnicas ex vivo, incluidos ciclos de congelación-descongelación, permeabilización con saponina y procedimientos de sonicación y extrusión. La estructura y actividad de los fármacos se ha mantenido después de la carga en los exosomas. Además, parece ser que los exosomas son estables cuando se guardan de -20 ⁰C a -80 ⁰C y cuando se someten a múltiples ciclos de congelación-descongelación.2

Administración de agentes terapéuticos a través de la barrera hematoencefálica y orientaciones para el futuro

Uno de los mayores retos en la quimioterapia ha sido la administración de fármacos a través de ciertas barreras biológicas, en especial la barrera hematoencefálica. Se han detectado en suero exosomas liberados por glioblastoma, lo que indica que los exosomas endógenos atraviesan la barrera hematoencefálica.16 Además, se administraron a ratones por vía intranasal preparaciones de exosomas cargados con curcumina, un polifenol con propiedades antiinflamatorias, que resultaron en apoptosis de células microgliales, lo que supone que las preparaciones de vesículas pueden atravesar la barrera hematoencefálica.17 Por último, se demostró que exosomas procedentes de células epiteliales del cerebro y cargados con fármacos anticancerígenos atravesaban la barrera hematoencefálica e inducían citotoxicidad en células tumorales de peces cebra.18 Tomados en conjunto, estos hallazgos indican que los exosomas podrían ser especialmente útiles para la administración de fármacos en el cerebro. 

Si bien la administración de fármacos mediante exosomas parece un camino terapéutico prometedor, hay que resolver previamente algunas cuestiones fundamentales para que se pueda implementar de forma segura y eficaz. En primer lugar, los procesos de aislamiento y purificación de exosomas deben estandarizarse para eliminar contaminantes como los agregados proteicos y mejorar la reproducibilidad. En segundo lugar, deben identificarse células donantes que proporcionen una fuente estable de exosomas y deben caracterizarse completamente los exosomas procedentes de esas células. Por último, deben desarrollarse procesos más eficaces para cargar fármacos en los exosomas con el objeto de maximizar la administración de los tratamientos. 

Referencias

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