Los exosomas son un subconjunto de vesículas extracelulares de tamaño nanométrico liberadas por las células como parte de su fisiología normal o bajo ciertas patologías. En nuestro blog anterior sobre evolución exosómica, analizamos el avance de estas nanopartículas naturales, desde su descubrimiento inicial hasta el reciente auge en la investigación de vesículas extracelulares.
En la segunda parte de esta serie de tres blogs, exploraremos más a fondo los conocimientos de la CAS Content Collection™, la mayor colección de conocimiento científico publicado curada por expertos, resumiendo las aplicaciones clave de la terapia con exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico.
Tendencias de investigación emergentes en la terapia con exosomas
Utilizando la CAS Content Collection, analizamos la presencia y las tendencias de ciertos conceptos clave en publicaciones científicas relevantes para las aplicaciones de los exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico (Figura 1). Las palabras clave «direcionamiento» y «biomarcador» ocuparon los primeros lugares, lo que refleja el creciente interés por los exosomas en la terapéutica. Cabe destacar que el análisis de los conceptos clave durante los años 2017-2021 reveló un fuerte aumento del término «barrera hematoencefálica» en los últimos dos años, lo que indica que es un tema de gran actualidad en la investigación de la terapia con exosomas. Como aprendimos en la primera parte, los exosomas pueden cruzar la barrera hematoencefálica. La capacidad de atravesar esta barrera altamente selectiva no solo convierte a los exosomas en valiosas herramientas de diagnóstico, sino que también puede proporcionar un medio para administrar carga terapéutica al cerebro, ayudando a tratar el cáncer y las lesiones cerebrales traumáticas.
Figura 1. Conceptos clave en las publicaciones científicas relevantes para las aplicaciones de los exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico: (A) Número de publicaciones que exploran conceptos clave relacionados con las aplicaciones de los exosomas en terapia y diagnóstico. (B) Tendencias en los conceptos clave presentados en los artículos relacionados con las aplicaciones de la terapia con exosomas y el diagnóstico durante los años 2017-2021. Los porcentajes se calculan con las cifras de publicación anuales para cada concepto clave, normalizadas por el número total de publicaciones para el mismo concepto en el mismo período.
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El primer paso vital en la terapia con exosomas: aislamiento y purificación
Antes de que los exosomas puedan utilizarse en la práctica médica a gran escala, es crucial distinguir con precisión estas partículas de tamaño nanométrico de un amplio espectro de restos celulares y componentes interferentes. No existe un enfoque estandarizado único para la separación y el análisis de exosomas, y cada método ofrece fortalezas y limitaciones únicas (resumidas en la Tabla 1). Aunque la ultracentrifugación se consideró en su día el estándar de oro, en los últimos años los métodos de precipitación y microfluídica han ganado popularidad debido a su capacidad para purificar exosomas sin causar daños potenciales (Figura 2). Se ha sugerido una combinación de varios de estos métodos como una estrategia prometedora para mejorar los resultados del aislamiento. El objetivo es obtener subconjuntos de exosomas con una alta pureza en cuanto a tamaño, morfología, concentración, presencia de marcadores enriquecidos y ausencia de contaminantes.
Tabla 1. Principales métodos de aislamiento/purificación de exosomas
Figura 2. Tendencias en el número de documentos relacionados con las aplicaciones de la terapia con exosomas y el diagnóstico en relación con diversos métodos de aislamiento de exosomas durante los años 2014-2021. (Los porcentajes se calculan con las cifras de publicación anuales para cada método de aislamiento, normalizadas por el número total de publicaciones para el mismo método de aislamiento en el mismo período.)
Terapia con exosomas y administración de fármacos
Una vez extraídos y purificados los exosomas, ¿cómo los convertimos en sistemas eficaces de administración de fármacos? Afortunadamente, los exosomas están diseñados para esta función, combinando las ventajas de los nanotransportadores sintéticos y los sistemas de administración de fármacos mediados por células, al tiempo que evitan sus limitaciones. El primer paso para aprovechar estas propiedades es la «carga de material», el proceso de empaquetar los exosomas con sustancias terapéuticas. Se han empleado varios métodos de carga para este fin, cada uno con sus propias ventajas y desventajas (Tabla 2).
Tabla 2. Técnicas de carga de material
Como forma de mensajeros intercelulares, los exosomas desempeñan un papel crucial en diferentes procesos fisiológicos. Por ello, los exosomas secretados por diferentes tejidos y células presentan propiedades únicas. Por ejemplo, se ha descubierto que los exosomas derivados de tumores influyen en las propiedades tumorales como el crecimiento, la angiogénesis, la invasión y la metástasis. Por el contrario, los exosomas de células madre mesenquimales (CMM) poseen propiedades que los hacen ideales para su uso como adyuvantes para apoyar y complementar otras modalidades terapéuticas. De hecho, una empresa con sede en EE. UU., Direct Biologics, está explorando la utilidad del tratamiento derivado de CMM, ExoFlo, en ensayos clínicos para la colitis ulcerosa, el rechazo de órganos sólidos y la COVID-19, por nombrar algunos.
Aunque las posibles aplicaciones de la terapia con exosomas son muy amplias, el área de investigación exosómica más común es, con diferencia, el cáncer, seguido de la inflamación y las infecciones. Al analizar la correlación entre las células donantes de exosomas y las enfermedades a las que se han aplicado, surge un patrón claro. Las células presentadoras de antígenos y las células asesinas naturales (NK) se utilizan con mayor frecuencia en estudios sobre el cáncer. Los macrófagos y las células madre son los más utilizados en la inflamación, mientras que las células presentadoras de antígenos y los linfocitos T se utilizan con frecuencia en las infecciones (Figura 3).
Figura 3. Correlación entre las células donantes de exosomas y las enfermedades a las que se han aplicado los exosomas en los estudios relacionados con la terapia y el diagnóstico mediante exosomas, representada por el número de documentos en la CAS Content Collection.
Las diversas aplicaciones dirigidas de la terapia con exosomas
Otra aplicación notable y en rápida expansión de los exosomas es su uso como agentes terapéuticos. Los sistemas de exosomas se han aplicado como herramientas terapéuticas o diagnósticas para una amplia gama de trastornos. Nuestro análisis de la CAS Content Collection muestra que la mayoría de las publicaciones (68 %) sobre terapia con exosomas están asociadas al cáncer. Se ha demostrado que los microARN (miARN) exosómicos inhiben la proliferación, migración e invasión de las células cancerosas. Este enfoque se ha explorado en varios subtipos de células malignas, incluidos los de cáncer de vejiga, colorrectal y de mama. Los exosomas también poseen un enorme potencial terapéutico en enfermedades neurodegenerativas, inflamatorias y cardiovasculares, que también se representan (Figura 4).
Figura 4. Distribución de las publicaciones en la CAS Content Collection relacionadas con las aplicaciones de la terapia y el diagnóstico con exosomas con respecto a las enfermedades objetivo.
Dado que los exosomas intervienen en la patogenia de enfermedades como el cáncer, una estrategia terapéutica eficaz podría consistir en reducir la producción y circulación elevadas de exosomas a niveles normales para prevenir la progresión de la enfermedad. Varios estudios en curso exploran los efectos de modular la vía de la terapia con exosomas en diversas etapas, incluidas su producción, liberación y captación. La eliminación física de los exosomas también se ha explorado en células cancerosas, y los investigadores plantean la hipótesis de que esta eliminación puede obstaculizar la comunicación entre las células tumorales que contribuyen a la progresión del tumor.
Uso diagnóstico de los exosomas
Para ser viable en el uso clínico, un biomarcador debe presentar varias propiedades. Debe ser de fácil acceso, rentable, específico, altamente sensible y medible. Debido a sus propiedades únicas, los exosomas ya cumplen varios de estos requisitos, mostrando superioridad frente a los biomarcadores convencionales basados en suero, especialmente en lo que respecta a la sensibilidad y precisión diagnósticas.
Existen varias ventajas al emplear los exosomas de esta manera terapéutica. En primer lugar, dado que el estado patológico de las células afecta en gran medida al contenido de los exosomas (como se observa en la enfermedad de Alzheimer), el estudio de estas vesículas extracelulares puede ofrecer una ventana al estado de la enfermedad del tejido. También son innatamente estables, con una bicapa lipídica que les permite resistir la degradación incluso en microentornos hostiles. En términos de practicidad, los exosomas pueden aislarse de forma sencilla y no invasiva a partir de fluidos biológicos como la orina, la sangre e incluso las lágrimas. Una vez extraídos, pueden almacenarse mediante congelación, liofilización o secado por atomización. Por último, a diferencia de muchos biomarcadores séricos convencionales, los exosomas pueden atravesar la barrera hematoencefálica, proporcionando información sobre las células cerebrales que, de otro modo, sería difícil de obtener. Actualmente se están explorando varios candidatos a biomarcadores proteicos exosómicos (Tabla 3) y biomarcadores de ácidos nucleicos (Tabla 4). Para obtener la lista ampliada de estos biomarcadores, consulte nuestra publicación de la ACS, Exosomes – Nature’s Lipid Nanoparticles, A Rising Star in Drug Delivery and Diagnostics.
Tabla 3. Ejemplos de proteínas exosómicas para aplicaciones de diagnóstico clínico
El interés por los exosomas como biomarcadores se refleja en el extenso crecimiento del número de documentos relacionados con las aplicaciones de la terapia y el diagnóstico con exosomas, tal y como revela el análisis de la CAS Content Collection (Figura 5). Aunque a primera vista parece que los documentos relacionados con la terapéutica ocupan el primer lugar, el porcentaje general de documentos está distribuido equitativamente entre ambas aplicaciones.
Figura 5. Aplicación diagnóstica frente a terapéutica de los exosomas: (A) Comparación del número de documentos relacionados con las aplicaciones de la terapia con exosomas frente al diagnóstico; recuadro: crecimiento anual del número de documentos relacionados con las aplicaciones de los exosomas en terapia frente a diagnóstico. (B) Comparación del número de documentos relacionados con las aplicaciones de los exosomas en terapia frente a diagnóstico con respecto a sus indicadores de función (THU, terapéutico; DGN, diagnóstico).
Aunque la investigación actual sobre la terapia con exosomas es prometedora, muchos estudios permanecen en fase preclínica. Dicho esto, ¿qué tan cerca estamos de utilizar todo el potencial de los exosomas en la terapéutica y el diagnóstico? ¿Cuáles son los obstáculos y desafíos que se interponen en nuestro camino? En nuestro artículo final de la serie, descubriremos a los actores clave en la investigación de exosomas con actualizaciones sobre las iniciativas de investigación fundamentales en este campo dinámico y apasionante. Mientras tanto, puede leer más en nuestro Exosomes Insight Report.
