Neuroplastic effects of glia-like human mesenchymal stem cells secreting numerous growth factors in sequelae of Post-ischemic stroke

Abstract

서론 인구 고령화로 허혈성 뇌졸중이 증가하고 있으며, 급성 뇌경색의 관리가 발달했음에도 불구하고 치료 전략이 부족해 많은 환자들이 허혈성 뇌졸중으로 인한 난치성 후유증을 앓게 된다. 이전 선행연구에서 후기 계대의 중간엽 줄기세포에서 유도시킨 성상 교세포(ghMSC)는 다양한 보호 메커니즘을 통해 급성 뇌경색을 치료할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 뇌경색의 만성 후유증 치료에 ghMSC를 적용시켜 그 효과를 확인하고자 하였다.

방법 인간 중간엽 줄기세포(hMSC)로부터 분화시킨 성상 교세포(ghMSC)를 시험관 내 및 생체 내 뇌경색 후유증 모델에 처리하였다. 시험관 내 연구는 인간 뉴런 세포 및 쥐의 뇌 절편에 산소-포도당 결핍 처리를 하여 ghMSC를 처리한 후 세포 생존, 증식과 산화 스트레스를 평가하였다. 생체 내 연구는 쥐의 중대뇌동맥을 2시간 폐색 후 재관류하였고 14일 후 ghMSC, hMSC, saline을 투여하였다. 투여 전후로 자기공명영상 촬영과 신경학적 행동 평가를 통해 개체별 치료 효과를 비교하였고 부검하여 얻은 뇌조직을 통해 다양한 분자생물학적 실험을 진행하였다.

결과 뉴런 세포 및 뇌 조직 절편을 이용한 시험관 내 연구에서 ghMSCs가 허혈성 손상으로부터 뉴런을 회복시키는 것을 확인하였으며 이러한 효과는 CXC-Receptor-2(CXCR2) 길항제에 의해 유의하게 차단됨을 확인하였다. 또한 생체 내 연구에서는 분화 전 중간엽 줄기세포에 비해 유도 성상 교세포에서 뇌경색 부피 감소 및 신경학적 행동 기능의 회복에서 더 큰 치료효과를 보였으며 또한 용량의존적으로 뇌경색 부피가 감소하였다. 추가적으로, TTC염색을 통해 생체 내에서도 CXCR2 길항제에 의해 ghMSC의 효능이 저해되는 것을 확인하였다. 이후 뇌 조직을 이용한 분자생물학적 연구를 통해 만성 손상이 일어난 부위와 그 주변에서 ghMSC가 신경가소성과 신생혈관 형성을 효과적으로 유도한다는 것을 증명했다.

결론 본 연구는 ghMSC가 신경가소성 증진 및 신생혈관 형성을 통해 만성 뇌경색의 난치성 후유증 치료에 사용될 수 있으며, CXCR2의 활성화가 ghMSC의 핵심적인 보호 메커니즘 중 하나로 작용할 수 있음을 시사한다. |Background Ischemic stroke is increasing due to the aging population, and effective therapies for chronic sequelae are lacking. Previous studies demonstrated the therapeutic potential of glia-like cells induced from human mesenchymal stem cells (ghMSCs) for acute stroke. This study aims to investigate the use of ghMSCs for chronic sequelae resulting from cerebral infarction.

Methods ghMSCs derived from hMSCs were used in models of chronic cerebral infarction. In vitro, ghMSCs were administered to oxygen-glucose-deprived/reoxygenated cortical neurons and brain slice cultures. Molecular analyses assessed cell viability, proliferation, migration, and oxidative stress. In vivo experiments induced focal cerebral ischemia-reperfusion injury (IRI) via middle cerebral artery occlusion (MCAO). Brain MRI was performed 12 days after a 2-hour occlusion, and 31 rats were treated with MSCs, ghMSCs (different concentrations), or saline 14days post-occlusion. T2-weighted MRI, neurobehavioral function analyses, and molecular investigations were conducted.

Results Comparative analysis showed that ghMSCs exhibited remarkable neuroprotection against ischemia in vitro and ex vivo compared to hMSCs. The beneficial effects were attenuated with a CXCR2 antagonist. In vivo investigations demonstrated dose-dependent effectiveness of ghMSCs in restoring neurobehavioral functions and reducing chronic brain infarction. These therapeutic effects were inhibited by a CXCR2 antagonist. Molecular analyses confirmed that ghMSCs induced neuroplasticity and neovascularization, contributing to their restorative effects.

Conclusions ghMSCs hold promise for treating refractory sequelae resulting from chronic cerebral infarction. Their therapeutic potential is attributed to enhanced neuroplasticity and neovascularization. The activation of CXCR2 emerges as a key protective mechanism employed by ghMSCs.