AG Thakur

Das Exosome Research Lab (ERL) ist Teil der Arbeitsgruppe für experimentelle molekulare und zelluläre Hepatologie unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Basant Kumar Thakur in der Klinik für Gastroenterologie, Hepatologie und Transplantationsmedizin am Universitätsklinikum Essen. Wir beschäftigen uns mit kleinen extrazellulären Vesikeln (sEVs), also nanoskaligen, von einer Membran umschlossenen Vesikeln, die gemeinhin als Exosomen bezeichnet werden. Diese werden von fast allen Zelltypen sezerniert und sind wichtige Vermittler der Kommunikation zwischen Zellen.

sEVs transportieren eine komplexe Mischung an Molekülen, darunter Proteine, Lipide, RNA und DNA, welche die Biologie der Spenderzelle widerspiegeln und das Verhalten der Empfängerzelle aktiv beeinflussen. Durch die Untersuchung der Mechanismen der Verpackung, Freisetzung und Aufnahme von sEVs sowie durch die Entschlüsselung der von ihnen übertragenen Botschaften hoffen wir, neue Krankheitsmechanismen aufzudecken und diese in diagnostische und therapeutische Fortschritte umzusetzen.

1. sEVs in der Mikroumgebung von Tumoren

Tumoren nutzen die durch sEVs vermittelte Kommunikation, um ihre Mikroumgebung umzuprogrammieren, Immunreaktionen zu umgehen, die Angiogenese anzuregen und eine prämetastatische Nische zu bilden. Wir untersuchen die Wechselwirkung von krebsabgeleiteten sEVs mit Stromazellen, Immunzellen und Vorläuferzellpopulationen bei der Förderung des Krankheitsverlaufs, wobei unser besonderer Schwerpunkt auf gastrointestinalen und hepatischen Malignomen liegt (z. B. hepatozelluläres Karzinom, Adenokarzinom der Speiseröhre).

Zu den wegweisendsten Forschungsbereichen unseres Labors zählen die Entdeckung von dsDNA in Krebs-sEVs als potenzieller neuer Biomarker sowie der Transfer von EV-DNA und Proteinkomplexen (die wir als EV-Chromatin bezeichnen) in Empfängerzellen, die eine funktionelle Rolle bei der Beeinflussung der Tumormikroumgebung spielen. Unsere Arbeiten zeigen, dass EV-DNA in das Zytoplasma und den Zellkern von Empfängerzellen gelangen kann, wo sie mit Sensoren des angeborenen Immunsystems wie cGAS/STING, Autophagie-Signalwegen und dem endosomalen Transportmechanismus interagiert.

2. sEVs als Biomarker für die Diagnose und Überwachung von Erkrankungen

sEVs sind im Blut, im Urin und in anderen Körperflüssigkeiten ständig vorhanden und bieten somit einen einzigartigen Einblick in laufende Krankheitsprozesse. Wir entwickeln und validieren sEV-basierte Ansätze der Flüssigbiopsie („liquid biopsy“) zur Früherkennung, molekularen Subtypisierung und Langzeitüberwachung von Krebs sowie anderen Erkrankungen wie akutem Leberversagen (ALF) und entzündlichen Darmerkrankungen (IBD).

Unsere Biomarker-Forschung zielt auf verschiedene Inhaltstypen innerhalb von sEVs ab. Wir untersuchen sEV-assoziierte Proteine als Krankheitsmarker und konzentrieren uns auf EV-DNA als Träger tumorabgeleiteter genomischer Informationen. Im Gegensatz zu zellfreier zirkulierender DNA ist die in EVs eingekapselte DNA vor dem Abbau durch Nukleasen geschützt und bietet einzigartige analytische Vorteile für den ultrasensitiven Krebsnachweis. Darüber hinaus integrieren wir EV-Proteomik, miRNA-Profiling und EV-DNA-Analyse, um die Rolle der EV-vermittelten Wechselwirkungen im Krankheitsverlauf aufzuklären.

3. Therapeutische Verabreichungssysteme für sEVs

Über ihre Rolle bei der Entstehung von Krankheiten hinaus sind sEVs vielversprechende Wirkstoffträger der nächsten Generation für die Verabreichung von Arzneimitteln. Ihre inhärente Fähigkeit, biologische Barrieren zu überwinden, der Immunabwehr zu entgehen und ihre Fracht direkt an Zielzellen abzugeben, macht sie zu attraktiven Trägern für die gezielte Therapie. Am ERL entwickeln wir funktionalisierte sEVs und EV-Liposom-Hybridpartikel, die so konzipiert sind, dass sie aktive Moleküle selektiv an Tumorgewebe abgeben.

Unsere therapeutischen Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich darauf, sEVs und Hybridvesikel mit immunstimulierenden Wirkstoffen zu beladen, wie beispielsweise IL-12 – einem potenten Zytokin, das antitumorale Immunantworten aktivieren kann – sowie mit cGAS-aktivierenden DNA-Fragmenten, um den angeborenen Immunsensorweg in Tumorzellen und den Stromakomponenten der Mikroumgebung zu aktivieren. Unser Ziel ist es, Transportsysteme zu entwickeln, die das immunsuppressive Tumormikromilieu umprogrammieren und die Wirksamkeit der Krebsimmuntherapie verbessern können, indem wir die biologischen Targeting-Eigenschaften von sEVs mit präzise definierten molekularen Wirkstoffen kombinieren.

Zusammenfassung des Forschungsschwerpunkts

Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf der Erforschung der diagnostischen und funktionellen Rolle von sEVs bei akutem Leberversagen und hepatozellulärem Karzinom. Wir untersuchen (1) krankheitsspezifische EV-Inhalte als Frühindikatoren für Leberschäden und Tumorprogression, (2) die mechanistischen Auswirkungen der EV-vermittelten Kommunikation auf Stromazellen und Immunzellen innerhalb der Lebermikroumgebung sowie (3) die Entwicklung von gentechnisch modifizierten EVs und hybriden EV-Liposomen-Nanopartikeln für die gezielte Verabreichung von Therapeutika. Durch die Integration von Proteomik, miRNA-Profiling, ex-vivo-Leberperfusionsmodellen und Einzelmolekül-Bildgebung mit fortschrittlicher Nanotechnologie zielt unsere Arbeit darauf ab, wichtige EV-gesteuerte biologische Signale aufzudecken und diese in diagnostische Biomarker und therapeutische Strategien für Lebererkrankungen und Krebs umzusetzen.

Die methodischen Beiträge werden über begutachtete Publikationen der Fachgemeinschaft zugänglich gemacht und tragen so zum allgemeinen Fortschritt in der EV-Biologie bei.

Das Exosome Research Lab (ERL) befindet sich an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und klinischer Medizin. In enger Zusammenarbeit mit Klinikern des Universitätsklinikums Essen setzen wir mechanistische Erkenntnisse in klinisch relevante Erkenntnisse um. Unser oberstes Ziel ist es, auf sEV basierende Instrumente zu entwickeln, um die Diagnose von Erkrankungen zu verbessern, Behandlungsentscheidungen zu unterstützen und das Ansprechen der Patientinnen und Patienten auf die Therapie zu überwachen, insbesondere bei Patientinnen und Patienten mit Magen-Darm-Krebs und Lebererkrankungen.

1. Zhu X, Chetty VK, Ghanam J, Hila A, Yang Q, Strickfaden H, Bonn M, Cremer C, Hoyer PF, Liu X, Thakur BK. Single-molecule localization microscopy imaging of extracellular vesicle DNA in recipient cells. J Transl Med. 2026 Jan 3;24(1):130. doi: 10.1186/s12967-025-07563-3. PMID: 41484772; PMCID: PMC12866493.
2. Ghanam J, Chetty VK, Anchan S, Reetz L, Yang Q, Rideau E, Liu X, Lieberwirth I, Wrobeln A, Hoyer P, Reinhardt D, Thakur BK. Extracellular vesicles transfer chromatin-like structures that induce non-mutational dysfunction of p53 in bone marrow stem cells. Cell Discov. 2023 Jan 31;9(1):12. doi: 10.1038/s41421-022-00505-z. PMID: 36717551; PMCID: PMC9887011.
3. Chetty VK, Ghanam J, Lichá K, Brenzel A, Reinhardt D, Thakur BK. Y-box binding protein 1 in small extracellular vesicles reduces mesenchymal stem cell differentiation to osteoblasts-implications for acute myeloid leukaemia. J Extracell Vesicles. 2024 Mar;13(3):e12417. doi: 10.1002/jev2.12417. PMID: 38499475; PMCID: PMC10948369.
4. Ghanam J, Chetty VK, Zhu X, Liu X, Gelléri M, Barthel L, Reinhardt D, Cremer C, Thakur BK. Single Molecule Localization Microscopy for Studying Small Extracellular Vesicles. Small. 2023 Mar;19(12):e2205030. doi: 10.1002/smll.202205030. Epub 2023 Jan 12. PMID: 36635058.
5. Chetty VK, Ghanam J, Anchan S, Reinhardt K, …, Jablonska J, Nazarenko I, Thakur BK. Efficient Small Extracellular Vesicles (EV) Isolation Method and Evaluation of EV-Associated DNA Role in Cell-Cell Communication in Cancer. Cancers (Basel). 2022 Apr 20;14(9):2068. doi: 10.3390/cancers14092068. PMID: 35565197; PMCID: PMC9099953.
6. Ghanam J, Lichá K, Chetty VK, Pour OA, Reinhardt D, Tamášová B, Hoyer P, Lötvall J, Thakur BK. Unravelling the Significance of Extracellular Vesicle- Associated DNA in Cancer Biology and Its Potential Clinical Applications. J Extracell Vesicles. 2025 Mar;14(3):e70047. doi: 10.1002/jev2.70047. PMID: 40091452; PMCID: PMC11911540.
7. Thakur BK, Zhang H, Becker A, Matei I, …, Welte K, Bromberg J, Peinado H, Lyden D. Double-stranded DNA in exosomes: a novel biomarker in cancer detection. Cell Res. 2014 Jun;24(6):766-9. doi: 10.1038/cr.2014.44. Epub 2014 Apr 8. PMID: 24710597; PMCID: PMC4042169.
8. Costa-Silva B, Aiello NM, Ocean AJ, Singh S, Zhang H, Thakur BK, Becker A, …, Matei I, Peinado H, Stanger BZ, Bromberg J, Lyden D. Pancreatic cancer exosomes initiate pre-metastatic niche formation in the liver. Nat Cell Biol. 2015 Jun;17(6):816-26. doi: 10.1038/ncb3169. Epub 2015 May 18. PMID: 25985394; PMCID: PMC5769922.
9. Wortzel I, Seo Y, Akano I, …, Thakur BK, …, Sidoli S, Bromberg J, David Y, Kim HS, Lyden D. Unique structural configuration of EV-DNA primes Kupffer cell-mediated antitumor immunity to prevent metastatic progression. Nat Cancer. 2024 Dec;5(12):1815-1833. doi: 10.1038/s43018-024-00862-6. Epub 2024 Dec 3. PMID: 39627554; PMCID: PMC12185067.
10. Reetz L, Ghanam J, Chetty VK, Barthel L, Tippelt S, Fleischhack G, Böckmann M, Reinhardt K, Thakur BK. Cerebrospinal Fluid-Derived Small Extracellular Vesicles May Better Reflect Medulloblastoma Proteomes than Those from Blood Plasma. Int J Mol Sci. 2025 Sep 23;26(19):9279. doi: 10.3390/ijms26199279. PMID: 41096549; PMCID: PMC12524324.

• Dr. med. Laura Reetz
• Dr. med. Sarah Jennrich
• Dr. med. Yannick Lippke
• Dr. rer. nat. Tino Dittrich
• Dr. rer. nat. Marius Bruer, Ph.D.
• Divakarvel Selvakumar, B.Pharm.
• Èlia Bosch Borràs, M.Sc.
• Dimitrios Alexandros Katelas, M.Sc.
• Maren Soldierer, M.Sc.
• Dr. med. Fabienne Kunz
• Dr. rer. nat. Evangelia Kontopoulou, Ph.D.
• Dr. rer. nat. Sarah Strachan, Ph.D.
• Dhanasekaran Rathinam, M.Sc.
• Sarah Bimmermann, M.Sc.
• Srishti Anchan B.Sc.
• Dr. rer. nat. Nicole Barwinski
• Dr. med. Merle Lesch
• Dr. med. Sarah Jennrich
• Dr. med. Marvin Droste
• Frida Kaußen, B.Sc.
• Dr. Katarina Reinhardt

• Prof. Dr. Claudia Veltkamp, Universitätsklinikum Essen, Essen, Germany
• Prof. Dr. Bernd Giebel, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Jadwiga Jablonska, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Shirley Knauer, University Duisburg Essen, Essen, Germany
• Prof. Dr. Dieter Hoyer, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Carsten Deppermann, Universitätsklinikum Mainz, Mainz, Germany
• Prof. Dr. Andreas Roos, Universitätsklinikum Essen, Essen, Germany
• Prof. Dr. Silvia Vega Rubin de Celis, Universitätsklinikum Essen, Essen, Germany
• Prof. Dr. Kathrin Thedieck, Universitätsklinikum Essen, Essen, Germany
• Prof. Dr. Jan Lötvall, Universität Gotthenberg, Sweden
• Prof. Dr. Jan Best, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Ruth Bröring, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Kristian Pajtler, DKFZ, Heidelberg, Germany
• Prof. Dr. David Lyden, Weill Cornell Medicine, New York City, USA
• Prof. Dr. Florian Heidl, MHH, Hannover, Germany
• Prof. Dr. Jan Henning Klussmann, Universitätsklinikum Frankfurt, Frankfurt, Germany
• Prof. Dr. Martin Stanulla, Medizinische Hochschule Hannover, Germany
• Prof. Dr. Hector Peinado, Spanish National Cancer Research Centre (CNIO), Spain
• Prof. Dr. Brian Eliceiri, UCSD, San Diego, USA
• Prof. Dr. Verena Jendrossek, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Peter Hoyer, Prof. Dr. Anja Büschner and Prof. Dr. Lars Pape, Universitätsklinikum Essen, Germany
• Prof. Dr. Christoph Cremer and Dr. Xiaomin Liu, Max Planck Institutes for Polymer Research and for Chemistry, Mainz, Germany
• Prof. Dr. Joachim Fandrey and Dr. Anna Wrobeln, Universitätsklinikum Essen, Germany

• Hermann-Seippel-Preis – Deutscher Forschungspreis für Kinderheilkunde. “Double-stranded DNA (dsDNA) in extracellular vesicles (Exosomen) as potential diagnostic marker in pediatric brain tumor (AT-RT)”.
• Deutsche José Carreras Foundation Grant. “Extracellular vesicles as novel informative biomarker in pediatric acute myeloid leukemia”.
• Transcan 2017, ERA-NET, BMBF. “New strategies to detect cancers in carriers of mutations in RB1: blood tests based on tumor-educated platelets,TEPs, or exosomes”.
• Hubertus Trettner Stiftung. “Liquid Biopsy in Relased Ewing Sarcoma (LiBRES)“
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). “Diagnostic utility and functional role of exosomes in Head and Neck cancer (HNC).”
• Deutsche Kinderkrebsstiftung. “Establishment of a diagnostic approach using extracellular vesicles as potential biomarkers in medulloblastomas and their functional characterization”.

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