Système endo-lysosomal
Exosomes : vue d'ensemble

Vue d'ensemble des exosomes

1. Les exosomes sont un sous-ensemble de vésicules extracellulaires (EV) hétérogènes à bicouche phospholipidique sécrétées par des cellules eucaryotes.

Le terme vésicule extracellulaire est un terme généralement utilisé pour décrire l'ensemble du pool de particules membranaires libérées par des cellules.

2. Les exosomes, vésicules de petite taille (50-150 nm) d'origine endosomal, proviennent des endosomes ou corps multivésiculaires (MVE/MVB) qui peuvent fusionner avec la membrane plasmatique pour libérer les vésicules intraluminales (ILV) dans l'espace extracellulaire.

• Toutefois, les tétraspanines, en particulier CD63, sont considérées comme les meilleurs marqueurs actuellement disponibles pour le marquage des exosomes (MISEV2018): a position statement of the International Society for Extracellular Vesicles and update of the MISEV2014 guidelines 2018).
• CD9 et CD81, trouvées sur la membrane plasmique, pourraient être les marqueurs des EV (Proteomic comparison defines novel markers to characterize heterogeneous populations of extracellular vesicle subtypes 2016).

3. Les exosomes sont souvent appelés différemment selon les différentes études, i.e. prostasomes d'origine prostatique, tolérosomes produites par le cellules épithéliales intestinales, dexosomes d'origine dendritique, nanovésicules…

Contenu des exosomes

Au cours de la biogenèse, les exosomes se chargent de lipides, de protéines et d'acides nucléiques (Exosomal miRNAs in central nervous system diseases: biomarkers, pathological mediators, protective factors and therapeutic agents 2019 et Exosomes as nanocarriers for immunotherapy of cancer and inflammatory diseases 2015, article dans lequel on trouve une liste des molécules contenues dans les exosomes).

1. Les structures membranaires de la bicouche lipidique des exosomes contiennent des protéines et des récepteurs transmembranaires typiques :

• les lipides membranaires, i.e. sphingomyéline, le ganglioside GM3, phosphatidylsérine et céramide, forment la bicouche de la membrane exosomale et permettent aux exosomes de fonctionner ciomme transporteur de cargos,
• les radeaux lipidiques, i.e. flotillines, LBPA, cholestérol, stomatine et tétraspanines (CD63 et CD81, mais aussi CD9 et CD82)…

• 

  les protéines transmembranaires, i.e. PGRL (ProstaGlandin Regulatory-Like protein) associée à CD81 dans les lymphocytes, LAMP1/2, CD13…
• les protéines de trafic membranaire, i.e. annexines et petites GTPases Rab…
• les molécules d'adhésion, i.e. ICAM-1 (InterCellular Adhesion Molecule-1), lactadhéine, intégrines…

En outre, la surface des membranes exosomales contient des molécules immunorégulatrices, i.e. MHC-I et -II, CD80 et CD86, Fasl (Fas ligand).

2. Dans la lumière exosomale, plusieurs protéines stabilisent et marquent le cargo exosomal :

• les protéines du cytosquelette, i.e. actine, vimentine, cofiline, taline, tubuline…,
• les protéines de choc thermique Hsp, i.e. le plus souvent Hsp70, mais aussi Hsp90 et Hsp60, Hsc70…,
• les enzymes métaboliques, i.e. GAPDH, ATPase, PGK1…
• les protéines impliquées dans la formation de MVE/MVB, i.e. clathrine, Tsg101 de ESCRT-I, ALIX,…

3. Les acides nucléiques de la lumière exosomale comprennent les ARNm, les mi-ARN, d'autres ARN non codants et les ADN (Long noncoding RNAs and exosomal lncRNAs: classification, and mechanisms in breast cancer metastasis and drug resistance 2020).

On trouve environ 6 000 protéines connues et plus de 85 % de ces mi-ARN connus se localisent dans des exosomes dérivés de cellules neurales, ce qui suggère une excellente biocompatibilité des exosomes dans des molécules d'emballage aux propriétés physicochimiques et biologiques différentes (Exosomes released from neural progenitor cells and induced neural progenitor cells regulate neurogenesis through miR-21a 2019).

4. Le contenu des exosomes sont fortement influencés par les types et les états des cellules mères (Biogenesis and function of extracellular vesicles in cancer 2018).

Les exosomes passent dans les liquides biologiques comme le sang et peuvent servir des biomarqueurs prometteurs pour le diagnostic de la maladie (Exosome: emerging biomarker in breast cancer 2017).

Action des exosomes sur les cellules cibles

Les exosomes peuvent agir sur les cellules-cibles par plusieurs voies (Signaling Pathways in Exosomes Biogenesis, Secretion and Fate 2013 et Specificities of secretion and uptake of exosomes and other extracellular vesicles for cell-to-cell communication 2019).

1. Les exosomes peuvent activer la signalisation par interaction avec un ligand-récepteur :

• soit sans internalisation,
• soit par un ligand soluble issu des protéines membranaires exosomales clivées par les protéases extracellulaires.

Cette action nécessite l'arrimage des exosomes à la membrane de la cellule réceptrice par des interactions moléculaires spécifiques impliquant des protéines, des sucres ou des lipides.

2. Les cellules cibles internalisent les exosomes par des mécanismes endocytaires (phagocytose, macropinocytose ou endocytose).

Une fois intériorisées, les vésicules peuvent :

• être recyclées ou resécrétées,
• être transportées le long du cytosquelette vers la région périnucléaire, où ils fusionnent avec les lysosomes pour livrer leur cargos à la dégradation.

Par exemple, les exosomes dérivés de cellules cancéreuses SW480 pénètrent dans les cellules réceptrices par endocytose, pénètrent dans les lysosomes et provoque la migration cellulaire en activant la voie de la MAP kinase (Exosomes derived from SW480 colorectal cancer cells promote cell migration in HepG2 hepatocellular cancer cells via the mitogen-activated protein kinase pathway 2015).

3. Les cellules cibles fusionnent leur membrane avec celle des exosomes, i.e. les exosomes libèrent leur contenu dans le cytoplasme.

Fonctions des exosomes

Les fonctions des exosomes dépendent de leur cargaison (acides nucléiques, protéines et lipides) qui est transférée lors de la libération cellulaire.

1. Les exosomes sont impliqués dans :

• l'homéostaie cellulaire (Insight into the Role of Extracellular Vesicles in Lysosomal Storage Disorders 2019 et Exosomes and autophagy: coordinated mechanisms for the maintenance of cellular fitness 2014),
• l'inflammation, la réponse immunitaire et l'invasion tumorale (The Role of Exosomes in Inflammatory Diseases and Tumor-Related Inflammation 2022 et Extracellular Vesicles (Exosomes) as Immunosuppressive Mediating Variables in Tumor and Chronic Inflammatory Microenvironments 2021),
• la différenciation.

2. Les exosomes sont considérés comme des transporteurs naturels prometteurs pour le l'administration de médicaments (Engineering Exosomes for Cancer Therapy 2017 et Exosomes as Actively Targeted Nanocarriers for Cancer Therapy 2019).

• Ils ont la capacité de traverser diverses barrières biologiques/physiques comme la barrière hémato-encéphalique (Role of exosomes/microvesicles in the nervous system and use in emerging therapies 2012).
• Ils sont non immunogènes à l'échelle nanométrique capables de minimiser la clairance des médicaments par le système phagocytaire mononucléaire (MPS) et de protéger leurs cargos de la dégradation enzymatique.
• Ils sont générés naturellement, i.e. sont moins toxiques que les nanoparticules synthétiques.
• Ils peuvent être administrés par voie intranasale, intraveineuse, intrapéritonéale et intracrânienne, ce qui indique la grande flexibilité et la compatibilité de l'administration de médicaments à base d'exosomes.
• Les cargos peuvent être chargés de manière sélective dans des exosomes par des approches physiques/chimiques/biologiques pour obtenir divers effets thérapeutiques.
• La surface des exosomes peut être modifiée avec des molécules (ligands, motifs sensibles au pH, matériaux magnétiques) pour obtenir une propriété de ciblage pour l'administration de médicaments in vivo.

Biogenèse et libérarion des exosomes