Detection and characterization of extracellular vesicles of neural origin as possible tool for diagnosis and treatment of neurodegenerative diseases

Extracellular vesicles (EVs), including microvesicles shed from the plasma membrane and exosomes originating from multivesicular bodies, are nano-scaled membrane vesicles enriched in specific proteins, lipids and nucleic acids, considered to be crucial intercellular communication vehicles for bioactive molecules with both diagnostic and therapeutic relevance. The main aim of the project is to design a biosensor using Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) in order to detect brain-derived EVs present in human plasma and to characterize them according to the presence and the relative amount of specific membrane molecules involved in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. We demonstrated the possibility to simultaneously distinguish neuronal and different glial populations of EVs circulating in the peripheral blood and to evaluate differences in their composition according to the cellular origin by analyzing the presence and relative amount of another membrane constituent (GM1, that it’s known to be involved in the pathogenesis of Alzheimer’s disease). The optimized SPRi biosensor represents a promising platform for the characterization of vesicles involved in neurodegenerative diseases and for their possible use as peripheral biomarkers, allowing an accurate diagnosis, a proper stratification of patients and a reliable monitoring of disease progression. Furthermore, we demonstrated the potentiality of using the SPRi technology for the detection of multiple miRNAs for clinical purposes. Considering that EVs contain miRNAs and represent a vehicle through which cells may transfer genetically encoded messages to other cells, this approach could be used for the implementation of the detection of EV-related circulating biomarkers. Our results demonstrated that SPRi technology could be used for the identification of specific biochemical components (proteins, lipids, or miRNAs) of brain-derived EVs obtained from blood as a source of surrogate brain disease-biomarkers of easy access avoiding the invasive collection of cerebrospinal fluid. In parallel, we have developed a method based on Raman spectroscopy for the biochemical characterization of EVs that could be used as a routine quality check method before their in vitro or in vivo use as therapeutic agents being also more informative compared to other complementary techniques.

Le vescicole extracellulari, che comprendono microvescicole rilasciate dalla membrane plasmatica ed esosomi che originano da corpi multivescicolari, sono vescicole di dimensioni nanometriche ricche di specifiche proteine, lipidi e acidi nucleici. Esse hanno un ruolo cruciale nella comunicazione intercellulare agendo da veicoli di molecole che possono avere una rilevanza sia diagnostica che terapeutica. L’obiettivo principale del progetto è lo sviluppo di un biosensore basato sulla Risonanza Plasmonica di Superficie imaging (SPRi) in grado di rilevare la presenza di vescicole di origine neurale presenti nel plasma umano e di caratterizzarle in base alla presenza e quantità relativa di specifiche molecole di membrana coinvolte nella patogenesi di malattie neurodegenerative. Abbiamo dimostrato la possibilità di distinguere simultaneamente diverse popolazioni di vescicole extracellulari (neuronali e di origine gliale) circolanti nel plasma periferico e di valutare le differenze nella loro composizione in base alla loro origine cellulare analizzando la presenza e la quantità relativa di un’altra molecola di membrana (ganglioside GM1, che è noto essere coinvolto nella patogenesi dell’Alzheimer). Il biosensore così ottimizzato rappresenta una piattaforma promettente per la caratterizzazione delle vescicole coinvolte in malattie neurodegenerative e per il loro possibile utilizzo come biomarcatori periferici, permettendo un’accurata diagnosi, una corretta stratificazione dei pazienti e un affidabile monitoraggio della progressione della malattia. Inoltre, abbiamo dimostrato la potenzialità della tecnologia SPRi di individuare diversi microRNA per analisi cliniche. Considerando che le vescicole extracellulari contengono microRNA e rappresentano veicoli attraverso cui le cellule possono trasferire le une alle altre messaggi genetici, tale approccio potrebbe essere utilizzato per il miglioramento della rilevazione di biomarcatori periferici trasportati dalle vescicole. Questi risultati hanno dimostrato che la tecnologia SPRi può essere utilizzata per l’identificazione di specifiche componenti biochimiche (proteine, lipidi o microRNA) presenti nelle vescicole extracellulari di origine neurale isolate dal plasma periferico, come biomarcatori di facile accesso andando così ad evitare il prelievo invasivo di liquido cerebrospinale. In parallelo, abbiamo sviluppato un metodo basato sulla spettroscopia Raman per la caratterizzazione biochimica delle vescicole extracellulari che ha la potenzialità di essere utilizzato come metodo di controllo-qualità da svolgere di routine prima dell’utilizzo delle vescicole in vitro o in vivo come agenti terapeutici, dimostrando di essere anche più informativo rispetto ad altre tecniche complementari.