DOI: https://doi.org/10.1007/s13346-024-01698-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39196501
تاريخ النشر: 2024-08-28
المؤلف: Mattia D. Langellotto وآخرون
الموضوع الرئيسي: الحويصلات خارج الخلوية في الأمراض
نظرة عامة
تعتبر الإكسوزومات، وهي نانوفيزكل خارج الخلوية تفرزها جميع أنواع الخلايا، تلعب أدوارًا مهمة في عمليات فسيولوجية ومرضية متنوعة، بما في ذلك التواصل بين الخلايا ونقل المواد. بينما تم دراسة الإكسوزومات المشتقة من الثدييات بشكل مكثف لأغراض علاجية وتشخيصية، فقد حظيت الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من النباتات (EVs) مؤخرًا باهتمام بسبب مزاياها، مثل الأمان المعزز، وقابلية التوسع، وانخفاض السمية، وارتفاع التوافق الحيوي. تهدف هذه المراجعة إلى تقديم رؤى حول استخراج وتوصيف وتحميل الأدوية في الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من النباتات، مع تسليط الضوء على تكوينها البيولوجي وإمكاناتها كحاملات نانوية للمواد الفعالة دوائيًا.
يقدم استخدام الإكسوزومات المشتقة من النباتات بديلاً واعدًا للحويصلات المشتقة من الثدييات، حيث يعالج مخاوف المناعية والسلامة. تعتبر النباتات، التي يتم استهلاكها على نطاق واسع دون آثار سلبية، تقدم توافقًا حيويًا استثنائيًا وغير سمي بطبيعتها. علاوة على ذلك، تحتوي الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من النباتات على مواد علاجية، بما في ذلك البروتينات والدهون والـ RNAs، التي تعتبر حاسمة للتواصل بين الخلايا وتنظيم الجينات. ومن الجدير بالذكر أن التعديلات على سطح الحويصلات المشتقة من الليمون، مثل دمج الهيبارين-CRGD لاستهداف الأورام، أظهرت فعالية معززة في أنظمة توصيل الأدوية. على سبيل المثال، أظهرت الحويصلات المشتقة من الليمون المحملة بالدoxorubicin تأثيرات مضادة للتكاثر تفوق تلك الخاصة بالعقار الحر، مع الحفاظ على ملف أمان حيوي ملائم.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية الإكسوزومات، وخاصة تلك المشتقة من النباتات، كحويصلات خارج الخلوية (EVs) تلعب أدوارًا حاسمة في التواصل الخلوي وإزالة النفايات. تتميز الإكسوزومات المشتقة من النباتات بطبقتها الثنائية من الفوسفوليبيد وقطرها الذي يتراوح بين 30 إلى 150 نانومتر، وتأتي من انغماس الغشاء والأجسام متعددة الحويصلات (MVBs). تحتوي على مجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية، بما في ذلك البروتينات والدهون والـ DNA وmRNAs وmicroRNAs، مع اختلاف تكوينها بناءً على المصدر وطريقة الاستخراج. بينما كانت تُعتبر تقليديًا آليات لإزالة النفايات، فإن الاكتشافات الحديثة تسلط الضوء على مشاركتها في التواصل بين الخلايا وتوصيل المركبات النشطة بيولوجيًا عبر الأنواع والممالك.
تتناقض الورقة بين الإكسوزومات المشتقة من النباتات والإكسوزومات المشتقة من الثدييات، التي تم دراستها بشكل مكثف بسبب إمكاناتها العلاجية وقدراتها المستهدفة المحددة. ومع ذلك، فإن التحديات مثل المناعية، ومخاوف السلامة، وصعوبات في التنقية تعقد استخدامها. بالمقابل، تقدم الحويصلات المشتقة من النباتات مزايا مثل الأمان، والتوافق الحيوي، والاستقرار، مما يجعلها مرشحة جذابة لأنظمة توصيل الأدوية. تهدف المراجعة إلى توضيح خصائص الحويصلات المشتقة من النباتات وإمكاناتها كحاملات نانوية، مع التأكيد على خصائصها العلاجية ومزاياها مقارنة بالجزيئات النانوية الاصطناعية مثل الليبوسومات، التي تواجه مشكلات تتعلق بتعقيد التحضير والمناعية.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون طرقًا مختلفة لتحميل الأدوية والنيوكليوتيدات في الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من النباتات (EVs)، مع تسليط الضوء على إمكاناتها كحاملات نانوية بسبب حمولتها النشطة بيولوجيًا وخصائصها الفيزيائية الكيميائية المواتية. تم تحديد التحميل السلبي، الذي يعتمد على انتشار الجزيئات غير القطبية في الطبقة الدهنية للحويصلات، كأبسط طريقة. على سبيل المثال، تم تحميل الدوكسوروبيسين بنجاح في الحويصلات المشتقة من الملفوف دون تغيير حجمها، مما يدل على فعالية هذه الطريقة للجزيئات ذات الشحنة الموجبة. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أنه يمكن أيضًا احتواء الأدوية ذات الشحنة السلبية والمحايدة، مما يشير إلى أن عدم القطبية قد يفوق التفاعلات الكهروستاتيكية في بعض الحالات.
يستكشف القسم أيضًا تقنيات التحميل البديلة، مثل السونكيشن والإلكتروبوريشن، التي يمكن أن تعزز كفاءة التحميل، خاصة بالنسبة للمواد ذات الشحنة السلبية. على سبيل المثال، أدى الجمع بين دورات السونكيشن والحضانة إلى تحسين إدخال الدوكسوروبيسين بشكل كبير مقارنة بالطرق السلبية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تناول التحديات المتعلقة بتحميل النيوكليوتيدات، مثل RNA وsiRNA، حيث تؤدي طرق مختلفة إلى كفاءات احتواء مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن طريقة تتضمن مواد بولي كاتيونية أظهرت وعدًا في تعزيز تحميل mRNA من خلال تعديل الشحنة السطحية للغشاء الدهني. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما تكون الطرق السلبية فعالة لبعض الأدوية، قد تكون تقنيات التحميل النشطة أو تركيبات منها ضرورية لتحسين احتواء النيوكليوتيدات داخل الحويصلات المشتقة من النباتات.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على إمكانات الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من النباتات (EVs) كمصدر لأنظمة توصيل الأدوية، مع التأكيد على طرق استخراجها المتنوعة، وتقنيات توصيفها، وتراكيبها الكيميائية الحيوية. يمكن أن تنتج أجزاء مختلفة من النباتات الحويصلات، كل منها يحتوي على مركبات نشطة حيوية فريدة، مما يتطلب تقييمًا دقيقًا لطرق الاستخراج مثل الطرد المركزي الفائق التفاضلي، والترشيح الفائق، والكروماتوغرافيا بفصل الحجم. بينما يُعتبر الطرد المركزي الفائق المعيار الذهبي للنقاء، إلا أنه يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب معدات باهظة الثمن. بالمقابل، تقدم طرق مثل الترشيح الفائق وتقنيات المناعية البديلة بدائل أسرع ولكن قد تؤثر على النقاء أو العائد. كما تظهر التطورات الحديثة في الميكروفلويديات وأنظمة الطورين المائيين وعدًا لعزل الحويصلات بشكل فعال.
يعتبر توصيف هذه الحويصلات أمرًا حيويًا لفهم إمكاناتها الصيدلانية، حيث يتم استخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS) لتقييم شكلها وحجمها. يلعب التركيب الدهني للحويصلات المشتقة من النباتات دورًا كبيرًا في استقرارها وفعالية توصيل الأدوية، حيث تؤثر دهون معينة مثل حمض الفوسفاتي على حركيتها الدوائية. تناقش الورقة أيضًا تحميل مكونات نشطة مختلفة في الحويصلات النباتية، مما يوضح فعاليتها في استهداف خلايا الأورام وتعزيز توصيل الأدوية مع تقليل السمية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث في توصيف وتطبيق الحويصلات المشتقة من النباتات في السياقات العلاجية، وخاصة في التجارب السريرية التي تركز على خصائصها الصيدلانية الطبيعية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s13346-024-01698-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39196501
Publication Date: 2024-08-28
Author(s): Mattia D. Langellotto et al.
Primary Topic: Extracellular vesicles in disease
Overview
Exosomes, which are extracellular nanovesicles secreted by all cell types, play significant roles in various physiological and pathological processes, including intercellular communication and substance transfer. While mammalian-derived exosomes have been extensively studied for therapeutic and diagnostic applications, plant-derived extracellular vesicles (EVs) have recently gained attention due to their advantages, such as enhanced safety, scalability, low toxicity, and high biocompatibility. This review aims to provide insights into the extraction, characterization, and drug loading of plant-derived EVs, highlighting their biological composition and potential as nanocarriers for pharmacologically active substances.
The use of plant-derived exosomes presents a promising alternative to mammalian-derived EVs, addressing immunogenicity and safety concerns. Plants, being widely consumed without adverse effects, offer exceptional biocompatibility and intrinsic non-toxicity. Furthermore, plant-derived EVs contain therapeutic substances, including proteins, lipids, and RNAs, which are crucial for cell-to-cell communication and gene regulation. Notably, modifications to the surface of lemon-derived EVs, such as the incorporation of heparin-CRGD for tumor targeting, have shown enhanced efficacy in drug delivery systems. For instance, doxorubicin-loaded lemon-derived EVs demonstrated superior anti-proliferative effects against ovarian cancer compared to the free drug, while maintaining a favorable biosafety profile.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of exosomes, particularly those derived from plants, as extracellular vesicles (EVs) that play crucial roles in cell communication and waste removal. Plant-derived exosomes, characterized by their phospholipid bilayer and a diameter of 30 to 150 nm, originate from membrane invagination and multivesicular bodies (MVBs). They contain a diverse array of biomolecules, including proteins, lipids, DNA, mRNAs, and microRNAs, with their composition varying based on the source and extraction method. While traditionally viewed as waste removal mechanisms, recent findings highlight their involvement in intercellular communication and the delivery of bioactive compounds across species and kingdoms.
The paper contrasts plant-derived exosomes with mammalian-derived exosomes, which have been extensively studied due to their therapeutic potential and specific targeting abilities. However, challenges such as immunogenicity, safety concerns, and difficulties in purification complicate their use. In contrast, plant-derived EVs present advantages such as safety, biocompatibility, and stability, making them attractive candidates for drug delivery systems. The review aims to elucidate the characteristics of plant-derived EVs and their potential as nanocarriers, emphasizing their therapeutic properties and advantages over synthetic nanoparticles like liposomes, which face issues related to preparation complexity and immunogenicity.
Methods
In this section, the authors discuss various methods for loading drugs and nucleotides into plant-derived extracellular vesicles (EVs), highlighting their potential as nanocarriers due to their bioactive cargo and favorable physicochemical properties. Passive loading, which relies on the diffusion of hydrophobic molecules into the lipid bilayer of EVs, is identified as the simplest method. For instance, doxorubicin was successfully loaded into cabbage-derived EVs without altering their size, demonstrating the efficacy of this approach for positively charged molecules. However, the authors note that negatively charged and neutral drugs can also be encapsulated, suggesting that hydrophobicity may outweigh electrostatic interactions in certain cases.
The section also explores alternative loading techniques, such as sonication and electroporation, which can enhance loading efficiency, particularly for negatively charged substances. For example, a combination of sonication cycles and incubation improved the internalization of doxorubicin significantly compared to passive methods. Additionally, the challenges of loading nucleotides, such as RNA and siRNA, are addressed, with various methods yielding different encapsulation efficiencies. Notably, a method involving polycationic substances showed promise in enhancing mRNA loading by modifying the surface charge of the lipid membrane. Overall, the findings suggest that while passive methods are effective for certain drugs, active loading techniques or combinations thereof may be necessary to optimize the encapsulation of nucleotides within plant-derived EVs.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the potential of plant-derived extracellular vesicles (EVs) as a source for drug delivery systems, emphasizing their diverse extraction methods, characterization techniques, and biochemical compositions. Various plant parts can yield EVs, each with unique bioactive compounds, necessitating careful evaluation of extraction methods such as differential ultracentrifugation, ultrafiltration, and size exclusion chromatography. While ultracentrifugation is the gold standard for purity, it is time-consuming and requires expensive equipment. In contrast, methods like ultrafiltration and immunoaffinity techniques offer quicker alternatives but may compromise purity or yield. Recent advancements in microfluidics and aqueous two-phase systems also show promise for efficient EV isolation.
Characterization of these EVs is crucial for understanding their pharmacological potential, with techniques such as transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS) employed to assess their morphology and size. The lipid composition of plant-derived EVs plays a significant role in their stability and drug delivery efficacy, with specific lipids like phosphatidic acid influencing their pharmacokinetics. The paper also discusses the loading of various active ingredients into plant EVs, demonstrating their effectiveness in targeting tumor cells and enhancing drug delivery while minimizing toxicity. Overall, the findings underscore the need for further research into the characterization and application of plant-derived EVs in therapeutic contexts, particularly in clinical trials focusing on their natural pharmaceutical properties.