Mit dem Verständnis pathophysiologischer Vorgänge im Körper wächst auch das Wissen darüber, welche Angriffspunkte gegen Krankheiten genutzt werden können. Die Entdeckung des interzellulären Kommunikationssystems über Vesikel eröffnet die Möglichkeit, molekulare Informationen – sowie auch Medikamente – gezielt über weite Strecken im Körper zu übertragen.

Schlüsselkonzept der Biologie

Vesikel sind ein evolutionär etabliertes Transportsystem, das in allen Lebensformen, Zelltypen und Gewebearten vorkommt. Sie sind sowohl im Zellinneren, im Zytoplasma, als auch im extrazellulären Raum zu finden. Je nach Typ und Funktion haben diese Vesikel einen Durchmesser von weniger als 50 bis etwa 1000 Nanometern und benötigen damit hochauflösende Mikroskopie, um sichtbar gemacht zu werden (siehe Abbildungen). Aufgrund ihrer Größe werden sie auch als Nanovesikel bezeichnet.

Durch die Bildung von Vesikeln werden innerhalb der Zelle eigene Zellkompartimente abgegrenzt. Dadurch schirmen Vesikel ihren Inhalt von der Umgebung ab. Vesikel sind von einer doppelten Lipidschicht umgeben, die anderen Membranstrukturen wie der äußeren Zellmembran oder zahlreichen intrazellulären Organellen ähnelt. Die Hülle schützt die molekulare Fracht im Inneren während dem Transport. Gleichzeitig werden andere Membranbestandteile, die in die Hülle eingebaut sind, an der Oberfläche exponiert und ermöglichen eine Wechselwirkung mit der Umgebung, beispielsweise Rezeptoren.

Unter bestimmten Bedingungen können Vesikel mit anderen Membranstrukturen fusionieren. Dies spielt eine wichtige Rolle beim intrazellulären Transport, zum Beispiel um Membranproteine von ihrem Herstellungsort im Zellinneren zur äußeren Zellmembran oder umgekehrt zu transportieren.

Ein bekanntes Beispiel für ihre Funktion in der interzellulären Kommunikation ist der Informationsaustausch an den Synapsen von Nervenzellen. Hier werden mit Neurotransmittern beladene Vesikel gelagert, die nach Eintreffen eines elektrischen Signals innerhalb weniger Augenblicke mit der Zellmembran verschmelzen. Dadurch geben sie die Neurotransmitter nach außen ab und leiten das Signal an die nächste Zelle weiter. Ein anderes Beispiel für die sekretorische Funktion von Vesikeln ist die Freisetzung von Hormonen.

Die Vielfalt der Vesikel

1967 wurden erstmals extrazelluläre Vesikel beschrieben. Damals entdeckte man, dass Blutplättchen (Thrombozyten) winzige Partikel absondern, die zunächst als „Plättchenstaub“ oder „zellulärer Staub“ bezeichnet und als funktionslos angesehen wurden. Erst Jahrzehnte später, als man die Wirkung dieser Vesikel auf das Immunsystem erkannte und sie außerdem als Mittel des interzellulären Informationsaustausches identifizierte, wurde ihre Bedeutung für den Organismus, sowie ihr Potenzial für biomedizinische Anwendungen deutlich.

Extrazelluläre Vesikel, die aktiv und kontinuierlich nach außen freigesetzt werden, können verschiedene makromolekulare Frachten transportieren, darunter Ribonukleinsäuren (RNAs), Proteine, Lipide und andere bioaktive Moleküle, mit denen sie spezifisch beladen sind. Wenn die extrazellulären Vesikel ihre Zielzelle erreichen, werden sie von dieser aufgenommen und ihre Fracht wird in die Zielzelle freigesetzt. Je nach Art der Botschaft setzen sie in der Empfängerzelle Reaktionen in Gang, beeinflussen deren Funktion oder können die zelluläre Entwicklung lenken.

Darüber hinaus kann das isolierte Kompartiment von Vesikeln auch von Zellen dafür genutzt werden, um unterschiedliche zelluläre Prozesse innerhalb der Vesikel getrennt voneinander ablaufen zu lassen. So gibt es spezielle Vesikel, sogenannte Lysosomen, in denen ein saurer pH-Wert von 4,5 bis 5 herrscht und in denen nicht mehr benötigte Zellbestandteile oder Bakterien abgebaut, lysiert, werden. In Peroxisomen wird Fett abgebaut und Alkohol umgebaut. Auch beim kontrollierten Zelltod (Apoptose) entstehen Vesikel, die mit besonders großen Durchmessern von bis zu 500 Nanometern von der Zelle abgeschnürt werden. Diese Apoptosekörperchen fragmentieren die Zelle und tragen auf ihrer Oberfläche Merkmale, die den Fresszellen des Immunsystems signalisieren, dass sie vernichtet werden müssen.

Potenzial für die Biomedizin

Vesikel werden heute in vielfältiger Weise für Anwendungen erforscht. Einerseits wurden nach dem Vorbild sehr einfacher Vesikel, den Liposomen, Medikamentenhüllen entwickelt, die bereits seit Jahren als zugelassene Arzneimittel eingesetzt werden, etwa gegen Krebsarten wie Leukämie oder Brustkrebs, gegen Infektionen oder in der Anästhesie.

Eine weitere interessante Entdeckung ist die Rolle der Vesikel im extrazellulären Raum, wo sie als Kommunikationsdrehscheibe dienen und zum Beispiel Zytokine, also Signalproteine, freisetzen können. Schließlich wird daran gearbeitet, extrazelluläre Vesikel natürlichen Ursprungs sowohl als Transportsysteme einzusetzen als auch ihre inhärenten Effekte auf das Immunsystem therapeutisch zu nutzen. Insgesamt decken Vesikel ein bisher nicht absehbares Spektrum an vermittelnden Aufgaben im Organismus ab. Ihre Erforschung steht erst am Anfang und verspricht großes Potenzial, um der Präzisionsmedizin neue Türen zu öffnen.

Welche Rolle spielt Präzision in der Medizin und welche Ansätze verfolgt die Forschung dafür?

Präzision bedeutet, Medikamente maßzuschneidern. Es geht darum, das richtige Medikament in der richtigen Darreichungsform und Applikationsform zur Verfügung zu stellen. Das große Problem bei der Wirkstoffentwicklung ist aber, dass viele vielversprechende Substanzen scheitern, weil sie entweder schlecht aufgenommen werden, oder sich zu breit im Körper verteilen. Sie gelangen nicht gezielt und in ausreichenden Mengen an den gewünschten Ort.

Deshalb wird einerseits versucht, bestehende Medikamente zielgenauer zu machen. Zum anderen geht es darum, den Einsatz völlig neuer Wirkstoffklassen wie RNA-basierter Therapeutika zu ermöglichen. Ein Beispiel sind Impfstoffe auf der Basis von Boten- oder Messenger-RNA, kurz mRNA, wie sie gegen Covid-19 eingesetzt werden. Diese Wirkstoffe werden jedoch nur schwer vom Körper aufgenommen oder schnell abgebaut. Nanovesikel bieten in solchen Fällen eine Möglichkeit, die Wirkstoffe effizient zu verpacken.

Wie haben Sie die Entwicklung des Forschungsfeldes rund um Nanovesikel erlebt?

Anfangs galten Vesikel als zelluläre „Müllabfuhr“. Erst in den 1980er Jahren erkannte man ihre aktive Rolle im Immunsystem. Seitdem ist das Interesse an diesem Forschungsfeld stetig gewachsen. Der eigentliche Durchbruch gelang zwischen 2007 und 2009, als zwei große Leuchtturm-Publikationen zeigten, dass Vesikel von Zellen aufgenommen werden und ihre Fracht an Zielzellen weitergeben können. Damit war klar, dass wir es mit einem Kommunikationssystem von fundamentaler Bedeutung zu tun haben.

Wie sehen Sie die die Zukunft der Nanovesikelforschung?

Meine Vision ist es, eine breite Toolbox zu entwickeln, die es ermöglicht, neuartige Wirkstoffklassen in Vesikel zu verpacken, und die richtigen Vesikel für die richtige Anwendung zu finden. Dabei interessieren wir uns besonders für Vesikel aus gut verträglichen und verfügbaren Quellen. Wir arbeiten daran, Vesikel aus natürlichen Nahrungsquellen oder auch Nebenprodukten wie Molke zu gewinnen. Zum Beispiel kooperieren wir gemeinsam mit einem Partner aus der Biotech-Industrie mit Molkereien, die Grana Padano herstellen und bei denen große Mengen an Molke anfallen, aus denen wir Vesikel gewinnen können.

Wie gelangt der Wirkstoff dann in die isolierten Vesikel?

Das ist eine der größten Herausforderungen. Dafür gibt es verschiedene Ansätze, die wir untersuchen. Eine Möglichkeit ist, den Wirkstoff chemisch so zu modifizieren, dass er durch die Membran in das Vesikel gelangt. Vielversprechend ist auch die Herstellung von Hybridvesikeln. Dabei wird der Wirkstoff zunächst in ein synthetisches Vesikel verpackt, das dann mit einem natürlichen Vesikel verschmilzt.

Welchen Beitrag wird das LBI für Nanovesikuläre Präzisionsmedizin zu diesem Forschungsfeld leisten?

Auf dem Gebiet der Nanovesikel gibt es noch viele offene Fragen, insbesondere bei der Translation von der Grundlagenforschung in die klinische Anwendung. Hier am Institut haben wir die Möglichkeit, akademische Forschung und Aspekte aus der industriellen Entwicklung zu verbinden.

Einerseits haben wir den nötigen zeitlichen Planungshorizont, andererseits können wir als Forschungsgruppe wirklich gemeinsam an ein und derselben Fragestellung arbeiten, was im akademischen Setting oft nicht möglich ist. Unser interdisziplinäres Team deckt dabei ein breites Spektrum ab, von Physik und Chemie über Molekularbiologie und Pharmakologie bis hin zur Zusammenarbeit mit Kliniker:innen, Technologieunternehmen und Psycholog:innen, die für uns strukturierte Umfragen durchführen. Dieses Zusammenspiel ermöglicht es uns, gezielt die Fragen zu lösen, an denen die Forschung momentan noch scheitert.

Wo sehen Sie Ihre Forschung in zehn Jahren?

In zehn Jahren werden wir bereits erste klinische Daten aus unserer Forschungslinie zu nativen nanovesikulären Therapeutika sowie konkrete klinische Kandidaten aus der Forschungslinie zu „Wirkstoff-Shuttles“ haben. Danach wird der Fokus auf der kommerziellen Weiterentwicklung liegen – unsere Arbeit wird also in zehn Jahren sicher noch nicht beendet sein.

Wie sehen Nanovesikel aus und was macht sie so besonders?

Nanovesikel sind nicht nur leere Hüllen, sondern enthalten bioaktive Moleküle. Sie dienen der Kommunikation und helfen den Zellen auch, ihr umliegendes Gewebe zu erkennen. Die Vesikel, an denen wir forschen, haben einen Durchmesser von etwa 100 Nanometern und sind relativ fest, vergleichbar mit einem Squash-Ball. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben, in die verschiedene Oberflächenmerkmale und Rezeptoren eingebaut sind. Im Inneren befindet sich die lösliche Fracht.

Warum sind Nanovesikel für therapeutische Anwendungen so vielversprechend?

Lange Zeit haben wir große Hoffnungen in Stammzelltherapien gesetzt, um defekte oder verlorene Gewebestrukturen wiederherzustellen. Jedoch stellten wir fest, dass die positiven regenerativen Effekte auch durch Vesikel zu erzielen sind, die von diesen Zellen abgesondert werden. Daher untersuchen wir nun die Fähigkeiten von Vesikeln aus Nabelschnurzellen. Dieses Nabelschnurgewebe kann bei Geburten am Universitätsklinikum Salzburg, selbstverständlich immer mit dem Einverständnis der Mütter, gewonnen und dann für die Herstellung von vesikulären Therapeutika verwendet werden. Wir setzen die isolierten Vesikel ein, ohne sie chemisch oder genetisch zu verändern. Das unterscheidet sich von der Forschungslinie, in der Nanovesikel mit spezifischen Wirkstoffen beladen werden.

Wie fördern Nanovesikel die Geweberegeneration?

Das Problem bei der Reparatur oder Regeneration nach Gewebeverletzungen ist, dass die Narbenbildung schneller abläuft als die Regeneration. Ein Beispiel dafür sind Rückenmarksverletzungen. Wenn hier nicht innerhalb von 72 Stunden gehandelt wird, bildet sich eine Narbe, die den Heilungsprozess behindert. Ähnliches gilt für Implantate wie Hüftgelenke, Cochlea-Implantate oder Herzschrittmacher.

Unsere Tests haben gezeigt, dass Vesikel aus Nabelschnur-Stammzellen die Narbenbildung reduzieren. In Versuchen mit Schafen, konnte eine einzige Injektion der Vesikel die Narbenbildung nach einer traumatischen Verletzung der Sehne fast vollständig verhindern. Dabei modulieren die Vesikel gezielt einzelne Faktoren der Entzündungsreaktion, anstatt sie pauschal zu unterdrücken. Den genauen Wirkmechanismus kennen wir noch nicht, aber wir vermuten, dass das Signalmolekül Adenosin eine Rolle spielt, weil es Entzündungszellen aktiviert.

Haben Sie auch klinische Erfolge erzielt?

Gemeinsam mit dem Team aus der pädiatrischen Neurochirurgie um Prof. Matthias Krause an den Salzburger Landeskliniken konnten bereits zwei Kinder mit Spina bifida, oder „offenem Rücken“, behandelt werden. Bei dieser Fehlbildung wird das hervortretende Rückenmark üblicherweise operativ zurückgedrängt, doch die Narbenbildung behindert die weitere Entwicklung der Kinder. In beiden Fällen haben sich die Kinder nach der Behandlung gut entwickelt. Aber das waren individuelle Heilversuche – der nächste Schritt sind klinische Studien. Nur wenn die Ergebnisse zu 100 Prozent reproduzierbar sind, können wir sie weiterverfolgen.

Warum ist es wichtig, die verschiedenen Bereiche von Anfang an zu verbinden?

Meine Aufgabe ist es, Brücken zu bauen. Ich vermittle zum Beispiel den Nutzen der biomedizinischen Produkte, die wir erforschen, den Behörden sowie den Ärzt:innen und Patient:innen. Gleichzeitig müssen wir die gesetzlichen Vorgaben einhalten, um neue Produkte erfolgreich entwickeln zu können.

Die Verknüpfung der Bereiche ist notwendig, weil die klinische Forschung stark von Sicherheitsfragen dominiert ist. So müssen pharmazeutische Produkte nach den strengen Richtlinien der Good Manufacturing Practice, kurz GMP, hergestellt werden. Solche Fragen werden in der Grundlagenforschung oft nicht von Anfang an berücksichtigt, sind aber für die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis entscheidend. Aktuell läuft für unser erstes Produkt die Genehmigung zur klinischen Prüfung– das ist bereits ein wichtiger Meilenstein.

Wo kommt die Öffentlichkeit ins Spiel?

Wir bemühen uns, die Betroffenen von Anfang an in den Prozess einzubeziehen. Zum Beispiel hat eine Patientin aus einem Heilversuch, die selbst im Gesundheitswesen tätig ist, Interesse bekundet, sich am Institut zu engagieren. Das ist ein Beispiel für „Open Innovation in Science“: Wir binden Menschen aus ganz unterschiedlichen Bereichen in die Forschungsplanung ein, um die Forschung zu verbessern und schneller zum Ziel zu kommen.

Wie nah sind Sie an einer praktischen Anwendung Ihrer Forschung?

Da sind wir schon auf einem guten Weg. Bei den nativen Nanovesikeln ist unsere Stärke, dass wir bereits ein Produkt in der Hand haben. Bei den „Wirkstoff-Shuttles“ stehen wir noch vor größeren Herausforderungen, da viele grundlegende Fragen zur Aufnahme und Verteilung im Körper sowie zu Sicherheitsaspekten wie der Toxizität und Mutter-Kind-Übertragung geklärt werden müssen.

Worin sehen Sie die größte Herausforderung?

Die gesellschaftliche Akzeptanz ist derzeit ein großes Thema. Die Covid-19-Krise hat die Skepsis gegenüber der Wissenschaft trotz oder gar wegen vermehrter Kommunikation zum Thema „Klinische Forschung“ noch verstärkt. Unser Ziel ist es, das Vertrauen in die Wissenschaft zu stärken, insbesondere bei den Betroffenen. Mein persönliches Vorbild ist „Die Sendung mit der Maus“. An diesem Stil orientiere ich mich, um komplexe Themen oder wissenschaftliche Inhalte verständlich zu vermitteln und Vertrauen aufzubauen.