Un autre regard

 

Les exosomes : une innovation en médecine esthétique

Sarah Berndt, PhD

Docteur en sciences biomédicales et pharmaceutiques
Responsable de la recherche en thérapie cellulaire chez Regen Lab SA (Suisse)

Introduction

Les exosomes sont de petites vésicules extracellulaires rondes produites par presque tous les types de cellules et présentes dans tous les fluides biologiques. Ils constituent un moyen de communication privilégié entre les différentes cellules de l’organisme. 

Chaque exosome peut contenir de nombreux constituants d’une cellule comme des protéines cytosoliques et de surface cellulaire, des lipides, des ADN ou ARN et des métabolites.  À destination, l’exosome fusionnera avec la membrane de la cellule cible et son contenu sera intégré.

Les vésicules sont très spécifiques, puisque la nature de la cellule qui produit cet exosome influence ses propriétés physico-chimiques (Figure 1). 

On pense que le rôle physiologique des exosomes est le maintien de l’homéostasie cellulaire en régulant les constituants protéiques excédentaires ou inutiles des cellules [1].

Les exosomes sont maintenant évalués comme

  • biomarqueurs de différents états pathophysiologiques
  • ou comme véhicules potentiels pour l’administration de médicaments [2] tels que
    • les ARN interférents courts,
    • les oligonucléotides antisens,
    • les agents chimiothérapeutiques
    • et les modulateurs immunitaires
    • avec le principal avantage d’une administration ciblée à la cellule désirée.

Figure 1 : Illustration schématique de la biogenèse et de la composition des exosomes. 

Les exosomes et les microvésicules sont des invaginations de la membrane plasmique qui font partie de la famille des vésicules extracellulaires. 
La composition des exosomes comprend des lipides, des protéines cytosoliques, de l’ADN, de l’ARN et des protéines de la membrane de surface. 

Les exosomes sont produits par différents types de cellules et sont étudiés pour leur potentiel diagnostique et thérapeutique.

Parmi les principales fonctions physiologiques des exosomes, la recherche a mis en évidence des rôles dans

  • la survie cellulaire,
  • la prolifération,
  • la migration,
  • la différenciation, 
  • la sénescence,
  • l’immunomodulation,
  • l’angiogenèse,
  • la cicatrisation,
  • la néoplasie, entre autres [1]. 

Compte tenu de leur différence de taille, de la cellule d’origine de la cargaison et de leur combinaison distincte, les exosomes sont connus pour être très hétérogènes en termes de structure et de fonction [1] (figure 2).

Figure 2 : Les exosomes sont très variables en termes de taille, de contenu, de fonctions et de source. Extrait de [1].

Actuellement, 9 769 protéines, 2 838 miRNA, 3 408 mRNA et 1 116 lipides ont été décrits dans leur composition [3]. 

Les protéines exosomales sont différentes selon la nature des cellules ou des tissus primitifs [4]. 

Les principales protéines exosomales sont des protéines:

  • de transport et de fusion membranaire,
  • des chaperons,
  • des molécules d’adhésion,
  • des CMH,
  • des protéines du cytosquelette
  • et des protéines liées aux lipides [5]. 

Les cellules produisent des exosomes spécifiques ayant des caractéristiques et un contenu, uniques. 

  • Les exosomes provenant de cellules cancéreuses sont susceptibles d’aggraver le cancer,
  • tandis que les exosomes produits par des cellules souches sont susceptibles de promouvoir une activité anti-inflammatoire et régénératrice comme leur cellule d’origine [5]. 

 

Méthodes d'isolement des exosomes

Les vésicules extracellulaires, que l’on trouve dans tous les fluides biologiques, constituent une famille qui comprend:

  • les exosomes (40 nm à 160 nm) provenant des endosomes/corps multivésiculaires
  • et les microvésicules (150 nm à 1000 nm) provenant de la membrane plasmique [6]. 

Les exosomes sont désormais considérés par de nombreuses sociétés de biotechnologie comme des vecteurs émergents [7]. 

Un large éventail de méthodes d’isolement des exosomes à partir de fluides biologiques a été développé [8].

Les exosomes sont isolés en fonction de leur taille, de leur densité et de leur immunoaffinité par les méthodes suivantes :

  • centrifugation,
  • chromatographie,
  • filtration,
  • précipitation à base de polymères
  • et séparation immunologique (voir tableau 1) [9]

 

L’ultracentrifugation est désormais considérée comme l’étalon-or et de nombreux groupes de recherche utilisent cette technique [10]. 
Cependant, l’ultracentrifugation présente plusieurs inconvénients, notamment la nécessité de disposer d’un grand volume de fluides biologiques, des temps de traitement longs et une faible reproductibilité [11]. 

Les méthodes de production, d’isolement et de purification des exosomes ont des effets importants sur le rendement, la viabilité et la fonction (tableau 1).

Les exosomes provenant de différents spécimens peuvent avoir des contenus protéiques/lipidiques et luminaux différents et des caractéristiques de sédimentation différentes.

  • Par exemple, les exosomes du tissu adipeux ont une teneur élevée en lipides et nécessitent une adaptation de leurs méthodes d’isolement [12].
  • Si les exosomes doivent être isolés à partir de milieux de culture, il est très important d’utiliser des milieux sans sérum ou du sérum bovin fœtal sans exosomes.

 

Tableau 1. Méthodes d’isolement des exosomes (d’après Chesmi et al. 2020 [13]). 

Les exosomes dans le diagnostic

Les exosomes sont des acteurs clés des communications intracellulaires et ont donc la capacité de déterminer la progression d’une maladie. Ils présentent donc un grand potentiel comme outil de diagnostic et biomarqueurs pour de nombreuses maladies [2].

Le contenu des exosomes est modifié au cours d’une maladie active, qu’il s’agisse

  • d’un cancer,
  • d’une maladie cardiovasculaire,
  • de maladies immunologiques,
  • d’infections ou de pathologies du SNC (Alzheimer et Parkinson).
  • Plus un processus inflammatoire est en cours, plus les cellules exsudent des exosomes [14]. 

 

La surveillance des exosomes sécrétés par les cellules cancéreuses peut se faire par biopsie liquide, car tous les fluides corporels contiennent des exosomes libérés par le cancer [15].

  • Les exosomes peuvent protéger la dégradation rapide des acides nucléiques et restent très stables dans le plasma [16].
  • Des preuves croissantes montrent que cette technique peut être utilisée pour prédire l’existence d’une tumeur ainsi que l’état d’invasion et de métastase.
  • Les marqueurs membranaires exosomaux peuvent être utilisés pour réaliser un sous-typage des exosomes afin de suivre la cellule d’origine. 

 

Le marché du diagnostic des exosomes est en phase de développement précoce. Des progrès techniques et une meilleure compréhension de la biologie des exosomes doivent être réalisés avant que cette technique puisse être utilisée dans les tests diagnostiques de routine.

Les exosomes en tant que produits thérapeutiques

Les exosomes sont de puissants communicateurs dans l’organisme. Certains suggèrent que presque toutes les activités des cellules souches sont le résultat des exosomes qu’elles produisent [17]. De nombreuses études en cours visent à décrypter le rôle des exosomes dans la régénération des tissus [5].

Récemment, l’utilisation des cellules souches endogènes pour réparer les lésions tissulaires a suscité un intérêt croissant. 

  • Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) ont été extrêmement étudiées, en raison de leur potentiel de différenciation, de leurs effets immunosuppresseurs et de leur relative facilité de culture.
  • Ces effets sont connus sous le nom d’activité paracrine des CSM, qui contribue à leur médiation [18]. 
  • De nombreuses études in vivo ont démontré les effets thérapeutiques des exosomes dérivés des CSM [19]. 
  • Trois principaux tissus sont pris en compte lors du prélèvement de cellules souches ayant un potentiel MSC : la moelle osseuse, le tissu adipeux et le placenta.

Les exosomes dérivés des CSM peuvent agir comme un suivi dans la cicatrisation des plaies cutanées (Figure 3) :

  1. Réduction de l’inflammation (due à une réduction des cellules T pro-inflammatoires et à une augmentation du nombre de cellules anti-inflammatoires (cellules T et macrophages) [20] ;
  2. Une action régénératrice mise en évidence par la prolifération des fibroblastes et des kératinocytes au niveau de la plaie [21] ;
  3. Une réduction de la mort cellulaire et une activité anti-apoptotique [22] ;
  4. Régulation de l’angiogenèse par activation directe des cellules endothéliales [23].

Une revue systématique a évalué plus de 200 études avec des exosomes dérivés de CSM, démontrant des bénéfices dans 72% des études [24].

Les exosomes présentent différents avantages par rapport à la thérapie cellulaire :

– les exosomes sont plus stables et stockables [5] ;

– les exosomes peuvent être chargés d’agents thérapeutiques ayant une action ciblée sur le site d’intérêt [25] ;

– les exosomes dérivés de cellules souches sont moins immunogènes que les thérapies cellulaires [26] ;

– la thérapie par cellules souches nécessite une technologie de traitement délicate ; les exosomes ne sont pas des cellules et peuvent être congelés ou lyophilisés sans perte d’activité biochimique [27] ;

– les cellules souches peuvent subir une transformation néoplasique alors que les exosomes n’ont pas cette capacité [28].

Biological activities of stem cell derived exosomes on skin wound healing. From Lv et al [29].

Figure 3. Activités biologiques des exosomes dérivés de cellules souches sur la cicatrisation des plaies cutanées. D’après Lv et al [29]. 

  1. Les exosomes peuvent limiter l’inflammation en agissant sur les cellules inflammatoires et les macrophages. 
  2. Les exosomes peuvent déclencher la réépithélialisation en augmentant les activités des fibroblastes et des kératinocytes. 
  3. Les exosomes peuvent accélérer l’angiogenèse par l’activation directe des cellules endothéliales. 
  4. Les exosomes peuvent moduler le remodelage tissulaire via la production de collagène et la différenciation des myofibroblastes.

Exigences techniques et réglementaires pour une utilisation clinique des exosomes

Théoriquement, en tant que thérapie immunocompatible sans cellules, la technologie des exosomes devrait offrir des avantages réglementaires par rapport aux thérapies à base de cellules souches en termes de processus et de fabricationCependant, à ce jour, aucun produit à base d’exosomes n’est actuellement approuvé. 

  • La FDA et d’autres autorités réglementaires dans le monde exigent des contrôles importants pour la qualité, la pureté, la puissance et la reproductibilité. 
  • Le protocole d’optimisation de la méthode de purification n’est pas trivial alors que les exosomes contiennent une quantité inconnue d’exosomes, et sont également contaminés par des protéines, de l’ADN libre de cellules, des vésicules, potentiellement des virus et d’autres composants de la même gamme de taille. 
  • Les exosomes peuvent s’accumuler dans divers organes et traverser la barrière hémato-encéphalique [30].
  • En outre, les exosomes peuvent perdre ou gagner des fonctions au cours du processus d’isolement, ce qui peut être potentiellement dangereux pour le patient. 

La thérapie par cellules souches mésenchymateuses (CSM) a suscité l’intérêt des scientifiques après la découverte de son potentiel thérapeutique. Cependant, leur utilisation clinique a été entravée en raison de leur immunogénicité et de leur tumorigénicité. 

  • Relativement récemment, il a été révélé que le mécanisme par lequel les MSC favorisent la guérison est la sécrétion d’exosomes. 
  • Cela a suscité l’intérêt pour le développement d’une thérapie sans cellules, évitant ainsi les obstacles qui ont empêché l’application de la thérapie MSC dans la pratique clinique. 
Figure 4: Biological and technical limitations for the use of exosomes in clinic. From [26].

Figure 4: Biological and technical limitations for the use of exosomes in clinic. From [26].

Origine of exosomes affects its biological features (immunity, toxicity, and therapeutic properties) as they are the same as the parental cells.

  • Isolation procedure (i.e centrifugation) may damage the exosome membrane that may be damagable to patients and are difficult to predict.
  • Environmental culture conditions is affecting the quality and quantity of exosomes production. Injection technique is directly affecting the exosome biodistribution and pharmacokinetics.
  • Intravenous injection bears the risk of exosome phagocytosis but led to a better organ accumulation than after intramuscular or subcutaneous injection.

Status of fundamental research

Up to now, efficacy and safety are not already been established in human trials. Exosomes in clinical trials need to comply with good manufacturing practice (GMP).

Three important issues are prevalent in GMP for exosomes, i.e., upstream of cell cultivation process, downstream of the purification process, and exosome quality control [8].

  • Kwon and colleagues were the first to propose exosomes as a clinical tool with presenting human clinical data in atrophic acne scars [31].
  • MSC-derived exosomes were topically applied after carbon dioxide laser treatment. No adverse effects were associated with exosome application. The treated patients displayed sooner and better improvement in atrophic acne scarring. MSC-derived exosomes used were hypo immunogenic and negative for human leukocyte antigen.
  • Early preclinical studies in aesthetics have demonstrated promising effects of exosomes on wound healing for skin rejuvenation and hair growth in in vitro and murine models (Table 2 and Table 3).
  • Despite this, only 1 clinical study has been published to date, and there are no FDA-approved products on the market [32].

Conclusion

De nombreux essais cliniques ont étudié les cellules souches et leur milieu conditionné (MC) à des fins esthétiques [31,37-42]. 

Le milieu conditionné des cellules souches est intéressant pour les études précliniques car il contient des médiateurs paracrines, notamment des exosomes, qui exercent des activités régénératrices similaires à celles des cellules souches elles-mêmes. 

Il s’agit d’une alternative libre intéressante à la thérapie par cellules souches.

  • Dans le domaine de l’esthétique, les exosomes utilisés sont le plus souvent dérivés de MSC adipeuses [43].
  • Des exosomes purifiés ont été utilisés avec succès dans des études précliniques, mais les essais cliniques en esthétique font défaut [32].
  • D’autres études animales et humaines sur la sécurité et l’efficacité des exosomes sont nécessaires avant que la thérapie à base d’exosomes ne devienne une réalité.

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