Bone marrow mesenchymal stem cell-derived vascular endothelial growth factor attenuates cardiac apoptosis via regulation of cardiac miRNA-23a and miRNA-92a in a rat model of myocardial infarction

Abstract

배경: 심근경색 후에 골수 유래 중간엽줄기세포 치료는 손상된 심장을 회복시킨다. 회복과 관련된 메커니즘에 대해선 아직 완벽하게 알려지지 않았지만, 골수 유래 중간엽줄기세포 이식 후의 paracrine 메커니즘이 치료 효과와 연관되는 것으로 알려져 있다. 최근 연구에선 마이크로RNA (miRNA) 가 심혈관 질환의 병리 및 생리에 관련되어 있으며 질병 진행을 조절한다고 보고되었다. 따라서, 심근경색 동물 모델에서 골수 유래 중간엽줄기세포 치료 후의 심근 기능 회복에 대한 miRNA의 역할을 확인하며, 골수 유래 중간엽줄기세포로부터 분비된 paracrine factor 와 심근 miRNA 사이의 메커니즘을 확인하고자 하였다.

방법 및 결과: 본 연구에서는 쥐 심장의 좌전하행 관상동맥 결찰로 심근경색을 유도하였다. 10일 뒤, 심근경색 모델 쥐들을 무작위로 두 그룹으로 나눈 다음 중간엽줄기세포 또는 식염수를 심근경색 모델 쥐 심장의 경색 부위 주변에 주입하였다. 세포 주입 3일 뒤, microarray 및 qRT-PCR로 경색 부위 주변의 심장조직에서 miRNA의 발현을 확인하였으며 그 결과, miRNA-23a와 miRNA-92a의 발현이 중간엽줄기세포 투여군에서 유의하게 감소한 것을 확인하였다. 세포 실험에서는 중간엽 줄기세포와 신생아 쥐의 심장에서 분리한 심근 세포를 배양하였고, 저산소 상태를 유도하였다. 배양된 중간엽 줄기세포에서 분비된 혈관내피성장인자는 저산소 상태에서 정상 산소 상태에 비해 유의하게 분비량이 증가되었다. 또한 혈관내피성장인자가 포함된 중간엽 줄기세포 배양액은 저산소 상태에서 증가된 심근 세포의 miRNA-23a와 miRNA-92a의 발현을 억제하였으며 세포사멸을 감소시켰다. 배양된 심근 세포에서 miRNA-23a와 miRNA-92a의 발현 저해제 transfection을 통한 miRNA-23a와 miRNA-92a의 발현 억제는 심근 세포사멸을 감소시켰다. 중간엽줄기세포 배양액의 심근 miRNA-23a 와 miRNA-92a 발현 감소 및 세포사멸 억제효과들은 혈관내피성장인자에 대한 항체를 중간엽줄기세포 배양액에 처리하였을 때 나타나지 않았다.

결론: 결론적으로 본 연구에서는 골수 유래 중간엽줄기세포로부터 분비된 paracrine factor인 혈관내피성장인자가 심근 경색 후 심근 세포의 miRNA-23a와 miRNA-92a 발현을 조절함으로써 심근세포의 사멸 억제 효과를 보여주는 것을 확인하였다.; Backgroud: Bone marrow-mesenchymal stem cell (BM-MSC) therapy improves recovery of cardiac function after myocardial infarction (MI). Although the underlying molecular mechanisms has yet been completely understood, it has been shown that paracrine mechanisms following BM-MSC transplantation are involved in therapeutic effects. Recent studies have shown that microRNAs (miRNAs) are deeply involved in the patho-physiology of various cardiovascular diseases and could modulate the disease progression. Here, we investigated the role of miRNAs and the communication between miRNAs and BM-MSC-derived paracrine factors in mechanism underlying myocardial functional recovery after BM-MSC therapy in animal model for MI.

Methods and Results: MI was induced by permanent ligation of the left anterior descending (LAD) coronary artery. Ten days later, MI model rats were randomly divided into two groups, and either BM-MSCs or saline was directly injected into the border zone of infarcted myocardium. Three days after the transplantation, miRNA microarray and real-time PCR were conducted to screen and validate the miRNAs expression. BM-MSCs transplantation markedly downregulated the expression of miRNA-23a and miRNA-92a and reduced cardiomyocyte apoptosis in the infarcted myocardium. BM-MSCs and rat cardiomyocytes were primarily cultured and exposed to a hypoxic condition to simulate ischemia. The supernatant from the BM-MSCs exposed to hypoxia contained higher levels of vascular endothelial growth factor (VEGF) than that from BM-MSCs cultured under normoxia. The supernatant from the hypoxia-exposed BM-MSC containing VEGF suppressed miRNA-23a and miRNA-92a expression and reduced apoptosis in cardiomyocytes under hypoxia. Inhibition of miRNA-23a and miRNA-92a using miRNA inhibitor transfection reduced cardiomyocyte apoptosis. The effect of the supernatant on reduction of miRNAs expression and cardiomyocyte apoptosis disappeared when the supernatant was treated with VEGF-neutralizing antibodies.

Conclusion: The paracrine factor, VEGF, derived from transplanted BM-MSCs, regulated the expression of miRNAs such as miRNA-23a and miRNA-92a and exerted anti-apoptotic effects on infarcted myocardium.