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Bandscheibenschäden
Die Degeneration der Bandscheiben (intervertebral disc degeneration IDD) ist eine weit verbreitete Erkrankung des fortschreitenden Alters und gekennzeichnet durch Veränderungen des Gewebes, Alterung der inneren Zellen der Bandscheiben (Nucleus pulposus, NP-Zellen), die für die Produktion der weichen Bandscheibenmatrix verantwortlich sind, sowie entzündliche Komponenten. Folgen des IDD sind z. B. der sehr weit verbreitete Schmerz im unteren Rücken sowie die ebenfalls häufig auftretenden Bandscheibenvorfälle. Therapien sind derzeit Schmerz- und Physiotherapie, sowie bei Vorfällen konservativ die Chirurgie und ggf. manuelle Therapien. Die Ursache der Schäden an den Bandscheiben können bisher nicht behandelt werden. Eine vollständige Heilung gibt es nicht. Hier könnten Exosomen deutliche Verbesserungen der Therapien bringen, denn sie sind geeignet regenerative und antientzündliche Prozesse in Gang zu setzen, die die Vitalität der NP-Zellen der Bandscheiben verbessern und dadurch Heilungsprozesse einleiten und unterstützen.
Exosomen können gegen Säureschäden in Bandscheibenzellen wirken
MSC-Exosomen sind in der Lage, ein programmiertes Absterben der Zellen (Apoptose) durch entzündliche Vorgänge im Kern der Bandscheiben (Nucleus pulposus: NP-Zellen) zu stoppen. Ein Hintergrund für derartige Zelluntergänge kann z. B. zu viel Säure im Gewebe sein. Gegen einen derart niedrigen pH-Wert können Exosomen einen Schutz darstellen: In dieser Untersuchung wurden NP-Zellen bei verschiedenen pH-Werten kultiviert und ihre Physiologie beobachtet über die Bildung von Caspase-3 sowie MMP-13 (Apoptose-Enzyme), Aggrecan und Kollagen II (Knorpelproteine). Es zeigte sich, dass in den Kulturen mit Exosomen-Behandlung mehr aufbauende Knorpelproteine und weniger abbauende Apoptose-Enzyme gebildet wurden. Diese Ergebnisse weisen daher Exosomen als zukünftig hochinteressante Therapie-Option bei IDD aus.
Exosomes Derived from Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Prevent Acidic pH-Induced Damage in Human Nucleus Pulposus Cells.
Li M, Li R, Yang S, Yang D, Gao X, Sun J, Ding W, Ma L.
Med Sci Monit. 2020 May 21;26:e922928.
Exosomen können den Abbau von Bandscheibenzellen verhindern
Es ist bekannt, dass bei IDD Bandscheibenzellen einem entzündlichen Prozess (Pyroptose) zum Opfer fallen. Dieser Pyroptose kann mit einer Exosomen-Behandlung entgegengewirkt werden: Exosomen waren in dieser Studie in der Lage die Stimulation des verantwortlichen NLRP3-Inflammasoms, das in derartigen Geschehen gefunden wurde, zu unterdrücken und damit die Degeneration der Bandscheiben aufzuhalten. Es wird vermutet, dass die mikroRNA 410 in diesem Zusammenhang eine Rolle spielt. Die Forscher konnten zeigen, dass diese miRNA direkt an die mRNA des zukünftigen NLRP3 binden konnte. Diese Bindung könnte die Produktion des Inflammasoms unterbinden. Eine Exosomen-Behandlung kann Therapeuten daher in Zukunft in die Lage versetzen, das Fortschreiten einer IDD zu begrenzen oder sogar zu verhindern.
Mesenchymal stem cells-derived exosomes ameliorate intervertebral disc degeneration through inhibiting pyroptosis.
Zhang J, Zhang J, Zhang Y, Liu W, Ni W, Huang X, Yuan J, Zhao B, Xiao H, Xue F.
J Cell Mol Med. 2020 Oct;24(20):11742-11754.
Exosomen zeigen im IDD-Modell antioxidative und antientzündliche Wirkungen
Wichtige Schlüsselprozesse in der Entwicklung der IDD sind oxidativer Stress (Radikale) und entzündliche Vorgänge, die vom sogenannten NLRP3-Inflammasom ausgehen. In dieser Studie wurden Exosomen im Tiermodell der IDD als Injektionen eingesetzt. Es zeigte sich, dass Exosomen den Krankheitsfortschritt deutlich aufhalten konnten. Als Hintergrund werden reparierte Mitochondrienschäden vermutet, möglicherweise durch mitochondriale Bestandteile, die von den Exosomen direkt übertragen wurden. Exosomen könnten auf diese Art die Regeneration nicht nur durch bestimmte Signalstoffe anregen sondern auch dafür fehlende Strukturen ersetzen.
Mesenchymal stem cell-derived exosomes ameliorate intervertebral disc degeneration via anti-oxidant and anti-inflammatory effects.
Xia C, Zeng Z, Fang B, Tao M, Gu C, Zheng L, Wang Y, Shi Y, Fang C, Mei S, Chen Q, Zhao J, Lin X, Fan S, Jin Y, Chen P.
Free Radic Biol Med. 2019 Nov 1;143:1-15.
Die Progression der IDD kann durch Exosomengabe aufgehalten werden
Die Degeneration von NP-Zellen resultiert auch aus einem intrazellulären Stress im Endoplasmatischen Reticulum, messbar z. B. als erhöhte AGEs (Advanced Glycation Endproducts). In Folge haben die Enzyme ERK (Extracellular-signal Regulated Kinases) und AKT (Serin-Threonin Proteinkinase) eine Schlüsselrolle durch ihre Signalkettenaktivierung zur Apoptose der NP-Zellen. In dieser Untersuchung wurde gezeigt, dass sich durch die Gabe von Exosomen in vitro und in vivo im Tiermodell diese Signalketten unterbrechen ließen. Daraufhin gingen weniger Zellen in die Apoptose. Weiterhin zeigte sich in vivo histologisch, dass die IDD-Progression nachweislich aufgehalten werden konnte. Exosomen können also in Zukunft die Therapie von IDD revolutionieren und eine Heilung ermöglichen.
Exosomes from mesenchymal stem cells modulate endoplasmic reticulum stress to protect against nucleus pulposus cell death and ameliorate intervertebral disc degeneration in vivo.
Liao Z, Luo R, Li G, Song Y, Zhan S, Zhao K, Hua W, Zhang Y, Wu X, Yang C.
Theranostics. 2019 May 31;9(14):4084-4100.
miR21 aus Exosomen bringt den therapeutischen Effekt bei IDD
Die therapeutische Wirkung von Stammzellen bei IDD ist weitgehend bekannt. Doch ihre Wirkungsweise ist unklar. In dieser Studie wurden in vitro Knochenmarkstammzellen (BMC) und NP-Zellen auf ihre Exosomenbildung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Zellen sowohl Exosomen bilden als auch aufnehmen können. Die Aufnahme der Exosomen von NP-Zellen in BMC regten deren Migration und Entwicklung zu NP-artigen Zellen an. BMC-Exosomen erzeugten in NP-Zellen deren Proliferation und die Bildung von extrazellulärer Matrix. Auf diese Weise wurde die regenerative Wirkung von Exosomen und ihre Bedeutung für zukünftige Therapien bei IDD belegt.
Exosomes as potential alternatives to stem cell therapy for intervertebral disc degeneration: in-vitro study on exosomes in interaction of nucleus pulposus cells and bone marrow mesenchymal stem cells.
Lu K, Li HY, Yang K, Wu JL, Cai XW, Zhou Y, Li CQ.
Stem Cell Res Ther. 2017 May 10;8(1):108.
Exosomen sind die natürliche Kommunikation von Zellen und können therapeutisch genutzt werden
MikroRNAs (miR) können regulierend in viele Prozesse eingreifen, da sie die Bildung spezieller Proteine hemmen oder verstärken können. In dieser Untersuchung wurden apoptotische NP-Zellen analysiert und gezeigt, dass deren miRNA-21 deutlich herunterreguliert war. In den eingesetzten Exosomen hingegen war die entsprechend passende miRNA21 verstärkt vorhanden. Sie konnte in den NP-Zellen den Ablauf der Apoptose bremsen, indem sie hemmend in Signalwege (PTEN/PI3K/AKT) eingriff, die mit zur Apoptose führen. Daher konnten Exosomengaben den Verlauf einer IDD aufhalten und regenerative Prozesse eine Heilung einleiten.
Mesenchymal stem cells deliver exogenous miR-21 via exosomes to inhibit nucleus pulposus cell apoptosis and reduce intervertebral disc degeneration.
Cheng X, Zhang G, Zhang L, Hu Y, Zhang K, Sun X, Zhao C, Li H, Li YM, Zhao J.
J Cell Mol Med. 2018 Jan;22(1):261-276.
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Hier finden Sie Literaturhinweise zu Übersichtsartikeln (sog. Reviews), die den Wissensstand zum Thema ‚Exosomen als Maßnahme zur Unterstützung der Therapie bei IDD‘ zusammenfassen und Ihnen damit Exosomen und ihre therapeutische Bedeutung noch besser näherbringen können:
Exosomes derived from stem cells as an emerging therapeutic strategy for intervertebral disc degeneration.
Hu ZL, Li HY, Chang X, Li YY, Liu CH, Gao XX, Zhai Y, Chen YX, Li CQ.
World J Stem Cells. 2020 Aug 26;12(8):803-813.