Solunulkoiset vesikkelit

Solunulkoiset vesikkelit (extracellular vesicles, EV), mukaan lukien eksosomit, mikrovesikkelit ja apoptoottiset kappaleet ovat solujen tuottamia kalvorakkuloita, joita on löydetty ja eristetty useista lähteistä, kuten veren plasmasta, virtsasta ja soluviljelmien kasvatusnesteestä. Solunulkoiset vesikkelit ovat pieniä ja vaihtelevat halkaisijaltaan kymmenien nanometrin koosta aina muutaman mikrometrin kokoon. Kooltaan ne ovat siis suurempia kuin low-density-lipoproteiinit (LDL), mutta paljon pienempiä kuin esimerkiksi verihiutaleet ja punasolut. Solunulkoisia vesikkeleitä voi muodostua multivesikkelisten rakkuloiden (engl. multivesicular body) sulautuessa solukalvoon (eksosomit) tai kuroutumalla suoraan solukalvosta (mikrovesikkelit).
Solunulkoisilla vesikkeleillä on useita fysiologisesti tärkeitä tehtäviä muun muassa solujen välisessä signaloinnissa, immuunivasteen säätelyssä, veren hyytymisessä, ja solujen jätehuollossa. Nämä vesikkelit ovatkin kasvavan kiinnostuksen kohteena, mm. kliinisten ja terapeuttisten sovellusten mahdollistajina. Solunulkoisten vesikkelien välittämä vuorovaikutus liittyy myös useiden sairauksien molekyylimekanismeihin. Solunulkoisia vesikkeleitä voidaankin tulevaisuudessa ehkä käyttää biomarkkereina terveyden ja sairauden tilan toteamisessa, taudin ennusteen tekemiseen ja terapiaan.

Taustaa

Solunulkoiset vesikkelit tunnistettiin ensimmäisen kerran veren plasmassa jo vuonna 1946 ja kuvatiin vuonna 1967 verihiutaleiden tuottamana 'hiutalepölynä'. Kesti kuitenkin kauan, että aluksi harvojen solujen ominaisuudeksi uskotuista vesikkeleistä onkin paljastunut solujen yleinen tapa välittää monimolekyylisiä viestejä toisille soluille. Vasta 2000-luvulla tutkimus on todella lähtenyt kasvuun, kun eksosomien osoitettiin kuljettavan nukleiinihappoja, jotka kykenivät tuottamaan proteiineja vastaanottajasolussa. Nykytiedon valossa käytännössä kaikki eukaryootti- ja prokaryoottisolut pystyvät tuottamaan EV:itä. EV:t koostuvat solukalvon kaltaisesta lipidikaksoiskalvosta, membraanista, jossa on lipidien lisäksi valkuaisaineita, proteiineja. Vesikkelin sisältö muistuttaa koostumukseltaan sen erittäneen solun solulimaa, mutta lisäksi vesikkeliin voidaan pakata valikoituja proteiineja, nukleiinihappoja, kuten DNA:ta ja RNA:ta, sekä erilaisia pienmolekyylejä, kuten metaboliitteja.
EV:iden molekyylisisältö on hyvin monimuotoinen ja solu voi tuottaa koostumukseltaan ja kooltaan erilaisia vesikkeleitä riippuen sen kasvuolosuhteista tai saamista molekyyliviesteistä. Tämä tekee EV:istä hyvin mielenkiintoisen, mutta myös haastavan tutkimuskohteen.

Terminologia

Koska tieteenala on monitieteellinen käytössä on ollut kymmeniä erilaisia tapoja nimetä näitä solunulkoisia vesikkeleitä, mukaan lukien eksosomit ja mikrovesikkelit, jotka eroavat toisistaan eritystavan perusteella. Nimityksiä on lisäksi runsaasti riippuen solulähteestä, -tyypistä tai muusta erityispiirteestä. Lisäksi yksi solu voi erittää erityyppisiä ja kokoisia solunulkoisia vesikkeleitä. Sekavan nimeämiskäytänteen vuoksi kansainvälinen vesikkelitutkimusyhteisö (ISEV) on suositellut nimitystä 'extracellular vesicle' eli solunulkoinen vesikkeli yleisnimitykseksi näille vesikkeleille.

Tutkimus

Vesikkelitutkimus on erittäin aktiivista julkaisujen määrän kasvaessa tällä hetkellä lähes eksponentiaalisesti. EV:itä tutkitaan lukusissa laboratoriossa ympäri maailman. Tutkimusaiheet vaihtelevat bakteerien EV:istä (outer membrane vesicles) eri sairauksien mekanismeihin osallistuviin EV:ihin. Myös kasvien ja ympäristön EV:t ovat lisääntyvän kiinnostuksen kohteena. Suomessa EV:itä tutkitaan useissa tutkimusryhmissä, eri yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa. Helsingin yliopistossa on lisäksi toiminnassa solunulkoisiin vesikkeleihin erikoistunut tutkimuspalveluyksikkö.
EV-tutkimus on jakautunut edelleen selvittämään EV:iden koostumusta proteiinien, nukleiinihappojen tai aineenvaihduntatuotteiden osalta, toiminallisuutta (funktio), vesikkelien synty- ja spesifejä pakkausmekanismeja, vastaanottomekanismeja ja sairauteen liittyviä mekanismeja ja biomarkkereita. Lisäksi uusien eristys- ja analyysimenetelmien kehitystyö on vilkasta. Kiivaasta tutkimusvauhdista ja esim. kehittyvistä eristys- ja analyysimenetelmistä johtuen saadut tulokset päivittyvät nopeasti, mikä vaikeuttaa tutkimusten keskinäistä vertailua ja tutkimusalaan perehtymistä.

Tutkimusmenetelmät

EV:iden pieni koko ja monimuotoinen koostumus antaa haasteita niiden eristämiselle ja analytiikalle. EV:iden eristämiseen käytetään erikoistunutta tutkimusvälineistöä. Usein käytetty eristysmenetelmä on erottelu korkeakierroksisen sentrifugin avulla joko putken pohjalle eroon liukoisesta materiaalista tai tarkemmin tiheysgradientissa. Tämä vaatii erikoislaitteistoja ja on aikaavievää. Lisäksi erilaisiin EV:iden fysikokemiallisiin ominaisuuksiin perustuvia lähestymistapoja on kehitetty esim. suodattamiseen tai saostamiseen, mutta nämä eivät yleisesti vielä tuota yhtä puhdasta materiaalia kuin sentrifugiperusteinen eristys, vaikka ovat huomattavasti nopeampia toteuttaa. Kromatografiset menetelmät perustuvat tällä hetkellä geelisuodatukseen ja molekyyli-interaktioihin. Eristysmenetelmän sopivuus riippuu EV:den käyttötarkoituksesta ja jatkoanalytiikasta.
Koska nämä vesikkelit ovat kooltaan pääasiassa alle näkyvän valon aallonpituuden, niiden tutkiminen ei onnistu perinteisiä mikroskooppeja käyttäen, mutta niitä on mahdollista kuvantaa elektronimikroskopialla. EV:iden kvantitointiin ja karakterisointiin hyödynnetään muun muassa valon taittokykyyn ja lämpöliikkeeseen perustuvia menetelmiä kuten virtaussytometriaa ja partikkelianalyysejä.