Спеціальні білки зберігають свої мембрани незайманими, поки вони взаємодіють з електричними імпульсами, та переміщуються в різних біологічних середовищах.
Ці частинки, які називаються позаклітинними везикулами, вважаються привабливими моделями транспортних засобів для нових лікарських терапій. Але досі дослідники не мали повної картини того, як вони працюють.
У новому дослідженні, що було опубліковано у Nature Communications, група під керівництвом медичних дослідників з Університету штату Огайо визначила, що ці везикули містять іонний канал — білок, який відкриває коридор, що дозволяє електричним зарядам проходити через захисну зовнішню мембрану, що є необхідним кроком для підтримки стабільності вмісту та умов усередині.
Експерименти на тваринах також показали, що іонний канал впливає на вантаж, тобто білок важливий не тільки для структури позаклітинних везикул (extracellular vesicles, EVs), але і для їхньої функції. Дослідники порівняли ефекти молекул РНК, що доставляють EV з мембранним білком і без нього, у мишей з хворим серцем. Тільки молекули, які переносяться EV з іонними каналами, змогли відновити ушкодження серця.
Харприт Сінгх, професор фізіології та клітинної біології, і Махмуд Хан, професор невідкладної медицини, обидва з Медичного коледжу штату Огайо спільно керували дослідженням.
«Ми не лише виявили іонні канали у цих везикулах. Ми вперше зареєстрували функціональні іонні канали», - сказав Сінгх. "Від формування простої фундаментальної гіпотези про те, що ці везикули повинні мати іонні канали, до демонстрації того, що ці везикули будуть містити різний вантаж, який може або захищати, або завдавати шкоди вашим клітинам - у цьому випадку серцю - ми розповіли всю історію".
Позаклітинні везикули переносять білки та інші молекули від донорських до реципієнтних клітин, щоб змінити фізіологічні та біологічні реакції. Крім сприяння клітинної комунікації та підтримки клітинного балансу, частки були пов'язані з імунними реакціями, вірусною інфекційністю та серцево-судинними захворюваннями, раком та неврологічними розладами.
Ґрунтуючись на своїй спеціалізації у вивченні іонних каналів, Сінгх передбачив, що в EV мають бути іонні канали для безпечного транспортування молекул із клітинних нутрощів у позаклітинне середовище і назад в інший тип клітин. В іншому випадку їх мембрани будуть схильні до розриву - викликаного припливом води, викликаним осмотичним стресом або шоком - у міру того, як позитивні й негативні електричні заряди іонів у цих змінних середовищах то збільшуються, то зменшуються.
"Ми знаємо з нашого досвіду і з усієї цієї великої роботи, виконаної за останні сто років, що іонні канали дійсно важливі для підтримки будь-якої структури, яка має мембрану", - сказав Сінгх.
Візьмемо, наприклад, електроліт калій. Це найпоширеніший позитивно заряджений іон усередині клітин, але його концентрація у 30 разів нижча у позаклітинному середовищі.
«Раптово позаклітинна везикула переходить із високої концентрації калію в низьку концентрацію калію. Що станеться, якщо ви не зможете підтримувати іонний баланс? Ви відчуєте осмотичний шок», - сказав він.
Для цієї роботи дослідники ізолювали мишачі EV, надані Ханом, також директором з фундаментальних та трансляційних досліджень у Департаменті невідкладної медицини, чия лабораторія фокусується на відновленні пошкодженого серцевого м'яза за допомогою терапії стовбуровими клітинами.
Оскільки ці частинки надзвичайно малі, вчені створили метод, який вони назвали електрофізіологією ближнього поля для реєстрації струмів у мембранах EV. Метод встановив наявність активованого кальцієм калієвого каналу великої провідності (BKCa).
Потім вони ізолювали EV від нормальних мишей та нокаутованих мишей, у яких був відсутній ген, що кодує калієвий канал BK, і виявили, що вантаж в EV від нокаутованих мишей сильно відрізнявся за кількістю та розміром, що передбачає функціональну роль каналу BKCa.
Декілька невеликих сегментів РНК, які регулюють активацію генів, виявлених серед вантажу в нормальних везикулах мишей, як відомо, допомагають захищати серце від окислювального стресу, сказав Хан. EV від мишей, які не мали ген каналу BK, містили інший набір цих сегментів, званих мікроРНК.
Це відкриття призвело до експериментів на тваринах у лабораторії Хана, де EV від нормальних мишей та мишей, у яких був відсутній ген BK, вводили мишам із хворим серцем.
"EV від тварин дикого типу захищали серце", - сказав Сінгх. «EV, які вийшли з нокаутованих мишей, не могли належним чином захистити серце та, по суті, погіршили ситуацію. Погані мікроРНК були збагачені у везикулах, які не мали каналу.
«Чи відрізняється вантаж через різну упаковку, чи це відбувається через те, що везикули без каналів не виживають? Це відкрите питання, і ми намагаємось його вирішити».
Ще одне головне відкрите питання — це ідентифікація білків, які називають транспортерами, які дозволяють везикулам підтримувати іонний баланс при переході з позаклітинного середовища назад у клітину з високою концентрацією калію.
Крім розширення фундаментальних знань про позаклітинні везикули, сказав Сінгх, ця робота має потенціал для просування розробки їх використання як терапевтичних засобів.
«Люди говорять про завантаження цих везикул зарядженими молекулами — чи це ліки, РНК-білки чи ще щось. Якщо ви завантажуєте їх зарядженими молекулами та не керуєте іонним гомеостазом, ви матимете якісь наслідки», — сказав він. «Це наша головна думка: якщо ви займаєтеся біоінженерією EV, у вас має бути правильна комбінація іонних каналів та транспортерів».
