Effect of exosomes derived from human stem cells on skin restoration

Abstract

인간지방 유래 줄기세포는 중간엽 줄기세포의 한 종류로, 피하 지방층에 풍부하게 분포하며, 피부 재생과 항상성 조절에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 이러한 생리학적인 특성에 기반해 인간지방 유래 줄기세포를 이용해 주름, 주근깨, 검버섯 등 노화로 인한 외관상의 변화를 개선하기 위한 임상 연구 결과들이 다수 보고 되고 있다. 그러나 세포를 직접 체내로 주입하는 경우, 주입 후의 세포 생존율이 매우 낮아 그 효과가 현저히 저하되며, 부적절한 분화, 석회화 등과 같은 부작용이 유발될 소지가 있다. 이러한 단점들을 개선할 수 있는 하나의 대안으로서 세포를 직접 이용하지 않고, 세포에서 분비된 파라크린 인자를 이용하는 무세포 치료시스템이 연구되고 있다. 본 연구에서는 인간지방 유래 줄기세포가 증식하는 동안 분비된 엑소좀을 이용하여 노화로 손상된 피부의 재생을 유도하는 연구를 진행하였다. 엑소좀은 세포에 의해 분비되는 나노소포체로, 단백질, 유전인자, 사이토카인 등을 수용세포로 전달하여 세포 간 상호작용을 매개한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 엑소좀을 분리하기 위해 접선 유동 여과 (Tangential Flow Filtration) 방식을 기반으로 한 다중 필터 시스템을 도입하였으며, 분리된 엑소좀의 콜라겐 합성 유도 및 멜라닌 합성 저해 능력을 세포실험을 통하여 평가하였다. 그 결과, 분리된 엑소좀이 50에서 200 nm 크기를 갖는 것을 확인하였으며, 엑소좀 표면 마커를 발현하는 것을 확인하였고, 콜라겐 합성 촉진, 멜라닌 합성 저해를 도울 수 있는 사이토카인이나 성장인자들을 다수 포함하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 엑소좀이 노화로 손상된 피부 재생에 효과적으로 작용할 수 있는지 확인하기 위해 인간 피부 섬유아세포와 마우스 멜라노마 세포를 이용해 세포 실험을 진행하였다. 그 결과, 엑소좀이 인간 섬유아세포의 증식과 이동, 콜라겐 합성을 촉진하고, 마우스 멜라노마 세포의 멜라닌 합성을 저해하는 것을 확인하였다. 더불어, 엑소좀의 멜라닌 합성 저해 효과가 세포외 신호조절 인산화효소 (ERK, Extracellular signal-regulated kinase)와 관련된 신호전달 과정 촉진에 기인한다는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 인간지방 유래 줄기세포가 증식하는 동안 분비된 엑소좀의 콜라겐 합성 및 멜라닌 합성 저해 효능을 확인하였으며, 이러한 연구결과는 엑소좀이 노화로 손상된 피부재생에 효과적으로 작용할 수 있음을 시사한다.; Human adipose derived stem cell (HASC) is a type of mesenchymal stem cell, which is abundant in the subcutaneous layer and are known to play a vital role in skin regeneration and homeosis. Based on these characteristics of HASC, many clinical studies have reported that HASCs may counteract the aesthetic changes during aging such as wrinkles, freckles, lentigines. However, in case of subcutaneous injection of stem cells, post-transplantation viability can be extremely low as 1% to 32% and accompanied by adverse effects such as inappropriate differentiation, calcification. Driven by the demand of an alternative to overcoming these drawbacks, recent studies are focused on the development of cell-free system using paracrine factors secreted from the stem cells. In this study, we hypothesized that exosomes secreted from proliferating HASCs may have a positive role in cellular processes associated with skin restoration against aging. Exosomes were isolated from conditioned medium using multi-filtration system based on tangential flow filtration (TFF). The isolated exosomes were characterized by dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), cytokine array and surface exosomal markers were confirmed by flow cytometry, western blot. To evaluate the efficacy of exosomes on skin restoration, exosomes were treated to human dermal fibroblasts (HDFs) and B16 F10 cells with various concentrations. Consequently, we found that exosomes significantly promoted proliferation, migration, collagen synthesis in HDFs and inhibited melanogenesis in B16 F10 cells. In addition, we confirmed that the anti-melanogenic effect of exosomes was attributed to activation of extracellular signal-regulated kinase (ERK) via transforming growth factor-beta (TGF-β) included in exosomes. Our results suggest that exosomes secreted from proliferating HASCs are promising candidates as an anti-aging agent.