Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3750
Authors: Brahmer, Alexandra
Title: The exercise-triggered release of extracellular vesicles into the circulation
Online publication date: 2-Sep-2019
Language: english
Abstract: Physical exercise induces acute physiological changes leading to massively enhanced cross-talk between cells, organs, and tissues. These acute alterations cause systemic adaptations which promote physical and mental health on a long-term. Though, the molecular basis underlying these bodily adaptations remains elusive. Extracellular vesicles (EVs) are cell-derived membranous entities which transport bioactive material and function as mediators of cell-cell-communication between several organs and tissues. EVs in the circulation increase upon diverse exercise interventions and are speculated to be involved in the physiological adaptation processes induced by regular physical exercise. However, knowledge on the dynamics, the origin, and the composition of EVs present in blood during and after exercise (ExerVs) is poor. In addition, the difficulties in EV-isolation from blood plasma represents a hurdle for the characterization of ExerVs. Here, a detailed analysis of different ExerV subclasses to define their release kinetics and their origin was performed in an incremental cycling exercise setting involving 21 healthy male athletes. EV isolation via size exclusion chromatography (SEC), immuno-affinity capture as well as combination of SEC with density gradient centrifugation lead to enrichment of EVs from human plasma samples. Semi-quantitative analyses of ExerV dynamics in SEC-EVs and immuno-affinity captured EVs revealed elevations in a load-response related fashion. Phenotyping of ExerVs using two multiplexed analysis approaches directly in blood plasma or isolated SEC-EVs, CD9+EVs, CD63+EVs, and CD81+EVs revealed a panel of cellular marker proteins present on ExerVs. The results indicate that ExerVs originate from leukocytes, including lymphocytes (CD4+EVs, CD8+EVs), monocytes (CD14+EVs) and antigen presenting cells (MHCI+EVs, MHCII+EVs), as well as endothelial cells (CD105+EVs, CD146+EVs), and platelets (CD41b+EVs, CD62P+EVs). Impaired downstream analysis of proteomic content, nanoparticle tracking analysis, and imaging flow cytometry analysis of differentially isolated ExerVs demonstrated the need for further improvement of EV purity to gain deeper insights on actual concentrations and the composition of ExerVs. Conclusively, various cell types of the circulatory system contribute to the exercise-triggered release of extracellular vesicles into the blood stream. This heterogeneous pool of ExerVs may be involved in signaling processes associated with coagulation, endothelial function and inflammation.
Körperliche Aktivität löst eine akute Stressreaktion aus, welche starke Veränderungen von physiologischen Parameter mit sich bringt. Diese akuten Veränderungen verursachen systemische Anpassungen, die langfristig die körperliche und geistige Gesundheit fördern. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch noch nicht völlig geklärt. Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind von Zellen abgegebene membranumschlossene Einheiten, die bioaktives Material transportieren und als Vermittler der Zell-zu-Zell-Kommunikation zwischen verschiedenen Organen und Geweben fungieren. Die Menge an EVs in der Zirkulation nimmt in Folge verschiedener körperlicher Betätigungen zu und es wird spekuliert, dass EVs an physiologischen Anpassungsprozessen beteiligt sind, welche durch regelmäßige körperliche Bewegung ausgelöst werden. Das Wissen über die Dynamik, den Ursprung und die Zusammensetzung von EVs, die während und nach dem Sport im Blut zu finden sind (bezeichnet als „ExerVs“), ist jedoch begrenzt. Zudem stellt die erschwerte Isolation von EVs aus Blutplasma eine Hürde für die Charakterisierung von ExerVs dar. Hier wurde eine detaillierte Analyse verschiedener ExerV-Subklassen mit dem Ziel einer genauen Beschreibung ihrer Freisetzungskinetik und ihrer zellulären Herkunft durchgeführt. Dafür wurden 21 gesunde männliche Athleten einem stufenweisen Ausbelastungstest auf dem Fahrradergometer unterzogen. Die EV-Isolierung mittels Größenausschlusschromatographie (englisch „size exclusion chromatography“ = SEC), Immunaffinitäts-Isolation sowie die Kombination von SEC mit Dichtegradientenzentrifugation führten zur Anreicherung von EVs aus Blutplasma. Semi-quantitative Analysen der ExerV-Dynamik in SEC-EVs und Immunaffinität-isolierten EVs ergaben Anstiege über den Verlauf der Belastung. Die Phänotypisierung von ExerVs mittels zweier Multiplex-Analysemethoden direkt im Blutplasma oder mit isolierten SEC-EVs, CD9+EVs, CD63+EVs und CD81+EVs ergab eine Reihe an zellulären Markerproteinen, die auf ExerVs zu finden sind. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ExerVs von Leukozyten, einschließlich Lymphozyten (CD4+EVs, CD8+EVs), Monozyten (CD14+EVs) und antigenpräsentierenden Zellen (MHCI+EVs, MHCII+EVs), sowie Endothelzellen (CD105+EVs, CD146+EVs) und Thrombozyten (CD41b+EVs, CD62P+EVs), freigesetzt werden. Die massive Beeinträchtigung der Analyse des Proteoms von verschieden isolierten ExerVs, sowie der Nanopartikel-Tracking-Analyse und der bildgebenden Durchflusszytometrie verdeutlicht die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der EV-Reinheit, um tiefere Einblicke in die tatsächlichen Konzentrationen und die Zusammensetzung von ExerVs zu erhalten. Schlussendlich kann festgehalten werden, dass verschiedene Zelltypen des Kreislaufsystems während physischer Belastung dazu beitragen, dass extrazelluläre Vesikel ins Blut abgegeben werden. Diese heterogenen ExerV Spezies könnten an Signalprozessen beteiligt sein, die in Zusammenhang mit Koagulation, Endothelfunktion und Inflammation stehen.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
FB 02 Sozialwiss., Medien u. Sport
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3750
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000030771
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: IX, 109 Seiten
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