Роль экстрацеллюлярных везикул в межклеточном взаимодействии на этапе оплодотворения, раннего эмбриогенеза и имплантации (обзор литературы)

В процессе эволюции для успешной жизнедеятельности простейшие (прокариоты) и более сложные организмы (эукариоты) развивали свою способность к межклеточной коммуникации [1]. Давно известны основные виды взаимодействия между клетками. Это прямая коммуникация через плазматическую мембрану с рядом расположенной клеткой и взаимосвязь посредством секреции вырабатываемых клеткой растворимых факторов (цитокинов, гормонов, факторов роста), которые воздействуют как на саму клетку, так и на соседнее окружение посредством аутокринной, паракринной и эндокринной передачи сигнала. Установлено, что клетка выделяет во внешнюю среду (межклеточное пространство) множество разнообразных веществ. Среди них особую роль отводят мембранным структурам — внеклеточным везикулам. Продолжается исследование физиологических функций этих структур. Установлено, что они поддерживают внутриклеточный гомеостаз, а также передают информацию, в том числе генетическую, другим клеткам [2].

Внеклеточные везикулы открыты в 1967 г. английским исследователем Питером Вульфом. Они впервые верифицированы в плазме крови человека и получили исходное название «тромбоцитарная пыль». Установлено, что внеклеточные везикулы самостоятельно высвобождаются у большинства живых клеток различных организмов (архей, прокариот и эукариот), и эволюционно процесс высвобождения везикул остается неизменным у всех организмов, то есть формирование этих структур характерно для различных типов клеток любого эволюционного уровня [3—5].

Заключенные в оболочку, сходную по структуре с оболочкой самой клетки, внеклеточные везикулы несут в себе как небольшие порции обычного цитоплазматического содержимого, так и исключительно специфические наборы биологически активных молекул, в том числе белки, липиды, мРНК и микроРНК, причем этот состав может сильно отличаться от состава продуцирующей их клетки.

Внеклеточные везикулы играют значительную роль в жизнедеятельности клетки. Они служат не просто эвакуационными контейнерами клеточного содержимого, но и активными транспортировщиками сигналов межклеточной коммуникации, принимают участие во многих аспектах регуляции физиологических процессов на уровне целостного организма, а в силу разнообразия своей структуры и содержимого являются специфичными для отдельных клеток, процессов и состояний. Кроме того, внеклеточные везикулы могут вовлекаться в патологические процессы, что обусловливает еще больший интерес в их изучении. В настоящее время открыты новые возможности относительно использования внеклеточных везикул для диагностики и терапии некоторых заболеваний и патологических состояний человека [3].

Внеклеточные везикулы представляют собой фрагменты бислойных липидных мембран, которые отщепляются при активации или смерти клетки (см. рисунок) [6]. Существующая современная классификация клеточных везикул (B. van der Pol и соавт., 2012) [7] основана на таких важных критериях, как размер, плотность, морфология, состав липидов, белковый состав и субклеточное происхождение (см. таблицу).

Формирование внеклеточных везикул [6].

Классификация внеклеточных везикул [6]

Примечание. ЭПР — эндоплазматический ретикулум; МВТ — мультивезикулярное тело.

Несмотря на живой научный и клинический интерес к данным объектам, протоколы для получения и детекции везикул нестандартизированы и пока находятся в стадии разработки. Изучение свойств везикул осложняется их крайне малым размером, лежащим ниже разрешающей способности большинства используемых в повседневной практике современных приборов. При этом появляются методы, при помощи которых все же возможно уже сейчас исследовать свойства везикул, их размер и состав.

Основной современный метод выделения везикул — это дифференциальное центрифугирование. Для получения образцов микровезикул материал центрифугируют при 20 000 g. С целью получения экзосом применяют ультрацентрифуги и режим центрифугирования от 100 000 g. Работа с микровезикулами ведется при низких температурах, так как они неустойчивы к температурным перепадам. Для изучения размеров, морфологии и фенотипа везикул применяют методы трансмиссионной электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, метод динамического светорассеяния с использованием люминесценции, проточную цитофлюориметрию [8].

В свете изучения потенциальной роли внеклеточных везикул в процессах раннего эмбриогенеза и имплантации большинство исследователей волнует вопрос, смогут ли внеклеточные везикулы улучшить качество эмбрионов, полученных при применении вспомогательных репродуктивных технологий? Ряд ученых считают, что добавление внеклеточных везикул к среде культивирования in vitro позволяет воспроизвести естественную среду микроокружения эмбриона на ранних стадиях развития и добиться получения бластоцист более высокого качества. E.A. Harris и соавт. (2020) проведены работы, в которых продемонстрировано положительное влияние внеклеточных везикул на состояние ооцитов, сперматозоидов и эмбрионов [9—12].

C. Banliat и соавт. (2020) исследовали влияние внеклеточных везикул жидкости яйцевода на фосфолипидный состав эмбрионов крупного рогатого скота и установили, что внеклеточные везикулы улучшают фосфолипидный состав бластоцист крупного рогатого скота за счет увеличения общего числа бластомеров и равномерности их деления [13]. Это было первое исследование эмбрионального липидома, открывающее новые возможности изучения механизмов влияния микровезикул на процессы раннего эмбриогенеза [11, 13—16].

Позднее исследовано влияние внеклеточных везикул фолликулярной жидкости на клетки яичникового эпителия. H.M. Mehedi и соавт. (2021) выявили изменения транскриптома этих клеток под влиянием микровезикул фолликулярной жидкости крупного рогатого скота [17]. Это исследование показало, что изменение транскриптомного профиля в эпителиальных клетках яйцевода создает благоприятную среду для выживания сперматозоидов в яйцеводе и оплодотворения, а также для раннего эмбрионального развития и имплантации [17—21].

A. Asaadi и соавт. (2021) провели исследование, посвященное сравнению двух протоколов выделения внеклеточных везикул из фолликулярной и ампулярной жидкости молочных коров и определению перспектив улучшения качества эмбрионов крупного рогатого скота при сокультивировании с внеклеточными везикулами in vitro. Данное исследование показало, что добавление внеклеточных везикул в среды для культивирования эмбрионов положительно влияло на увеличение числа бластоцист хорошего качества, при этом отмечено более низкое число апоптотических клеток по сравнению со стандартными протоколами культивирования [8].

Рядом авторов исследована способность внеклеточных везикул передавать сигнальные молекулы рецепторным клеткам, активно воздействуя на их функционирование [22—26]. Это свойство везикул может быть рассмотрено в качестве биомаркера патологических состояний, происходящих в клетке. Некоторые показатели микроокружения эмбриона, исследованные в культуральных средах, такие как концентрация, размер, распределение и содержание внеклеточных везикул, могут характеризовать качество эмбриона и стать потенциальными маркерами компетентности эмбрионального развития [22].

Во время раннего развития эмбрионы секретируют внеклеточные везикулы, которые участвуют в коммуникации между эмбрионом и эндометрием. Среди других молекул внеклеточные везикулы несут микроРНК, которые препятствуют экспрессии определенных генов раннего эмбрионального развития в клетках-мишенях и участвуют в метилировании импринтинговых генов [22—25, 27].

B. Melo-Baez и соавт. (2020) изучали микроокружение эмбрионов крупного рогатого скота in vitro. Проведена сравнительная оценка микроРНК во внеклеточных везикулах, секретируемых компетентными и некомпетентными эмбрионами. В ходе экспериментов выяснено, что характеристики везикул меняются до имплантационной стадии развития эмбриона. При хорошем качестве эмбрионов наблюдался сдвиг в сторону меньшей секреции везикул [27]. Это изменение секреции связывают с изменениями в клетках, происходящими во время концентрации и бластуляции. Секреция микроРНК также меняется в зависимости от кинетики эмбриона и связана с его качеством, что может быть использовано как неинвазивный метод отбора эмбрионов с высокой вероятностью имплантации [22—25, 27].

K.C. Pavani и соавт. (2020) провели исследования эмбриональной жидкости с целью выявления внеклеточных везикул, продуцируемых эмбрионом человека. Ученые предположили, что данные микровезикулы могут предсказать истинную способность эмбриона к развитию, являясь важными показателями его качества [26]. Это может помочь отбору наиболее компетентного материала и быть использовано как биомаркер качества эмбриона [26, 28, 29].

K. Nakamura и соавт. (2020) доказали роль внеклеточных везикул во взаимодействии эмбриона и эндометрия в процессе имплантации. Ученые предположили, что экстрацеллюлярные везикулы могут являться инструментом диагностики и терапевтической мишенью для использования в сфере репродукции [5, 7, 30—32]. Так, внеклеточные везикулы эмбриона можно применять как прогностический биомаркер при выборе высококачественных бластоцист для экстракорпорального оплодотворения. После переноса эмбриона сывороточные везикулы могут быть рассмотрены как неинвазивные биомаркеры в определении состояния эмбриона в полости матки. Одной из потенциальных возможностей внеклеточных везикул является улучшение развития эмбриона и восприимчивости эндометрия для его успешной имплантации в полости матки [16, 31, 32, 33].

L. Czernek и M. Düchler (2020) проводили исследования и убедились, что внеклеточные везикулы, в частности экзосомы, являются посредниками между матерью и плодом во время беременности. В крови беременных женщин обнаружены микровезикулы синцитиального происхождения. Их уровень возрастает по мере развития беременности. В экспериментальных условиях и in vitro показано, что везикулы трофобласта регулируют иммунологическую толерантность между организмом матери и плода, участвуя в метилировании импринтинговых генов. На основании проведенных исследований ученые допустили возможность использования экзосом в качестве терапевтических мишеней у пациенток с бесплодием [34].

R.E. James и соавт. (2020) проводили исследования придатка яичка как важного репродуктивного органа млекопитающих [35], которому отводится большая роль в защите, созревании, хранении и транспортировке спермы [35—38]. Исследованы внеклеточные везикулы придатка яичка, их белковый и нуклеиновый состав, функции. Продемонстрирована роль внеклеточных везикул в процессах сперматогенеза и взаимодействия с эпителиальными клетками [35].

X. Zhang и соавт. (2020) провели всестороннее исследование внеклеточных везикул семенной плазмы человека. Идентифицировано в общей сложности 1558 белков и установлено наличие двух различных популяций везикул. Установлено протеомное профилирование этих подтипов [39]. Оба вида появляются как экзосомы из эпителиальных клеток простаты, но при помощи различных молекулярных механизмов. Биологические функции у них разные, одни регулируют морфологию сперматозоидов, другие отвечают за иммунную толерантность сперматозоидов в женском репродуктивном тракте и их подвижность [39—43].

J. Jankovičová и соавт. (2020) в своей работе выделили роль белков семейства тетраспанинов в функционировании внеклеточных везикул, отводя им определенную роль во взаимодействии сперматозоидов [44—47].

M.A.M. Melo Ferraz и соавт. (2020) провели исследование функциональных параметров спермы после заморозки и оттаивания [48]. Рассмотрено влияние внеклеточных везикул на качество сперматозоидов после девитрификации. Полученные в работе результаты показывают, что внеклеточные везикулы как репродуктивного, так и нерепродуктивного происхождения содержат факторы, восстанавливающие функции клеток после оттаивания и защищают сперматозоиды от криовоздействия [48—52].

E.A. Harris и соавт. (2020) проводили исследование связи тканевого фактора, ассоциированного с внеклеточными везикулами, с развитием тромбогеморрагического синдрома и его влияния на наступление беременности. В ходе работе установлено, что его высокий уровень внеклеточных везикул значительно снижает шансы наступления беременности [9]. Следовательно, уровень тканевого фактора везикул, измеренный до овариальной стимуляции, может стать ценным прогностическим маркером в программах вспомогательных репродуктивных технологий [9—12].

Мембранные пузырьки — один из самых интересных и загадочных объектов современной биологии. Из простой «тромбоцитарной пыли» без понятных свойств они превратились в сильные и разнообразные патофизиологические регуляторы, играющие важную роль в большом круге процессов как в норме, так и при патологии. Внеклеточные везикулы обнаружены во всех жидкостях организма и служат источником информации о многих процессах и их нарушениях, в том числе и в репродуктивной сфере.

Таким образом, значение внеклеточных везикул в процессе репродукции человека и животных в настоящее время активно изучается. Определение роли везикул в репродуктивных процессах открывает широкие возможности постижения языка взаимодействия между эмбрионом и матерью и влияния на процессы раннего развития и имплантации для улучшения репродуктивных исходов.

Участие авторов:

Сбор и обработка материала — Мелкозерова О.А., Ершов А.В.

Написание текста — Ершов А.В., Мелкозерова О.А.

Редактирование — Башмакова Н.В., Мелкозерова О.А.

Источник финансирования: Государственное задание по научно-исследовательской работе № 056-00121-22-00.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.