Le vescicole extracellulari (EV) sono piccole vescicole con una doppia membrana fosfolipidica, prodotte dalla maggior parte dei tessuti cellulari allo scopo di veicolare il proprio contenuto a determinati target. È stata dimostrata la presenza di EV in tutti i fluidi corporei e tessuti organici, compreso l’osso dove contribuiscono a regolarne il metabolismo.
Tipologia di vescicole extracellulari
Sulla base delle loro dimensioni possiamo distinguere tre tipologie di vescicole extracellulari: esosomi, microvescicole (MV) e copri apoptotici.
Gli esosomi sono un gruppo di vescicole con dimensioni da 40 a 160nm, la cui formazione avviene in tre passaggi: 1) invaginazione della membrana plasmatica a formare l’endosoma; 2) invaginazione della membrana endosomica a formare un multi vesicular body (MVB); 3) fusione dei MVB con la membrana cellulare e conseguente rilascio degli esosomi all’esterno.
Le microvescicole hanno dimensioni comprese tra i 50 nm e 1um e prendono origine dalla membrana plasmatica tramite gemmazione verso l’esterno.
Infine i corpi apoptotici si formano in seguito alla frammentazione della cellula dopo il processo di apoptosi, e hanno dimensioni comprese tra 0,5 e 4 um.
Una volta raggiunto il target le EV possono indurre una risposta in due modi: attivando i recettori di membrana oppure rilasciando nel citoplasma il proprio contenuto (proteine, fattori di trascrizione, acidi nucleici, lipidi).
Vescicole extracellulari e metabolismo osseo
Come in ogni tessuto si possono trovare EV secrete da ogni tipo di cellula presente, ma prendiamo in considerazione solo le vescicole secrete da osteoblasti (OB) osteoclasti (OC) e osteociti.
Le cellule staminali del midollo osseo (BMSC) giocano un ruolo fondamentale nel differenziamento osteoblastico, sia come precursori che come mediatori attraverso le secrezioni di EV regolatorie che, endocitate dagli OB, promuovono l’osteogenesi. In particolare vengono coinvolti i miRNA che una volta trasferiti agli OB inducono l’espressione di geni chiave come RUNX2 e ALP, promuovendo il differenziamento e l’osteogenesi. Uno studio in vitro recente ha dimostrato l’effetto di un particolare lncRNA, il MALAt1, rilasciato dagli esosomi estratti da BMSC umane primarie. In co-coltura con OB, il MALAT1 rilasciato va a inibire il miR-34c promuovendo il differenziamento tramite up-regolazione di SATB2; una volta differenziati gli OB sono grandi produttori di vescicole attive nella regolazione del processo di osteogenesi.
I corpi apoptotici hanno un ruolo anch’essi nel rimodellamento osseo e in particolare nella comunicazione tra osteoblasti e osteoclasti. Una volta morti, in seguito per esempio ad assunzione di bisfosfonati, gli OC rilasciano corpi apoptotici ricchi di RANK che, legandosi a RANKL sulla membrana degli OB, induce un reverse signaling stimolandone la sopravvivenza e il differenziamento.
Sebbene siano gli OB e gli OC le cellule ossee maggiormente studiate, anche gli osteociti, regolatori del rimodellamento osseo, rilasciano EV in seguito a stimoli biochimici e meccanici.
EV e le metastasi ossee
Lo scheletro è uno degli organi maggiormente coinvolti nella formazione di metastasi da tumori primari, in particolare quelli che metastatizzano nel tessuto osseo con più frequenza sono quelli di mammella, prostata e polmone.
In condizioni di salute il riassorbimento della matrice ossea da parte degli osteoclasti è bilanciato dall’attività degli osteoblasti che producono nuovo tessuto. In presenza di metastasi a venire a mancare è proprio questo equilibrio, verificandosi due possibili scenari:
- Si crea una lesione osteolitica nella quale è l’attività degli OC a prevalere andando a riassorbire tessuto osseo
- Si crea una lesione osteosclerotica, nella quale prevale la formazione di nuovo tessuto osseo
Le EV sono coinvolte nel processo di metastatizzazione; con il loro carico di proteine e acidi nucleici, possono contribuire aumentando il potere metastatizzante delle cellule tumorali, oppure possono favorire la formazione della metastasi vera e propria promuovendo la creazione di una “nicchia premetastatica” nel tessuto bersaglio attraverso un’azione paracrina. Questi meccanismi avvengono nel tessuto osseo come negli altri tessuti, alterando il comportamento delle cellule residenti creando un’ambiente ideale alla formazione di lesioni secondarie.
Tra i tipi di EV coinvolti, gli esosomi rilasciati dalle cellule cancerose della prostata sono in grado di inibire il differenziamento degli OC bloccando il pathway NF-kB attraverso il miR-214; allo stesso tempo promuovono l’osteogenesi velocizzando il differenziamento degli OB, andando quindi a creare una massa tumorale secondaria. Per quanto riguarda invece le metastasi di natura osteolitica tipiche del tumore al polmone, le EV svolgono al contrario un ruolo pro-osteoclastogenico. Infine le EV rilasciate dalle cellule tumorali del cancro al seno agiscono direttamente sugli OB riducendone il numero e l’attività, promuovendo al contrario il differenziamento degli OC; inoltre parallelamente sono in grado di modulare l’incremento dell’angiogenesi.
EV e invecchiamento
Durante l’invecchiamento l’equilibrio fisiologico tra osteoblasti e osteoclasti diventa meno efficiente, e a prevalere è l’attività degli OC portando alla riduzione di massa ossea e all’aumento del rischio di fratture, tipica dell’osteoporosi senile.
Anche le vescicole extracellulari si modificano nel processo di senescenza e possono causare delle alterazioni nel crosstalk tra le due popolazioni cellulari del tessuto osseo, le quali sono negativamente influenzate dai miRNA rilasciati dalle EV che coinvolgono il rimodellamento osseo. In particolare il miR-214 rilasciato dagli esosomi viene internalizzato dagli OB dove ne riduce fortemente l’attività, causando la perdita di massa ossea e conseguenti fratture in donne anziane.
Applicazioni cliniche delle EV
Nella ricerca scientifica le vescicole extracellulari sono fortemente studiate perché hanno un grande potenziale clinico, grazie allo sfruttamento del loro cargo naturale ma soprattutto alle modifiche che è possibile apportare ad esso per veicolare determinati farmaci. Infatti il loro utilizzo migliore è quello di drug delivery, veicolando farmaci in maniera selettiva sul target grazie alle modifiche apportabili non solo, come precedentemente detto, al loro contenuto ma anche alla loro membrana rendendola specifica per un determinato recettore.
In recenti studi sugli animali è stato visto che le EV di cellule staminali derivanti da cordone ombelicale umano o da tessuto adiposo hanno una grande efficacia nella promozione dell’osteogenesi in modelli di osteoporosi, osteonecrosi e frattura, rappresentando quindi una valida alternativa al trapianto di cellule staminali per la rigenerazione ossea.
Naturalmente lo sviluppo di protocolli e linee guida per l’utilizzo delle EV nelle terapie è ancora in corso, tra le maggiori difficoltà che si incontrano c’è la loro purificazione e la loro breve emivita una volta in circolo, oltre che la loro tendenza ad accumularsi in fegato e polmoni.