Stem Cell Res Ther | 来源于人脐带间充质干细胞的细胞外囊泡可缓解骨关节炎
干细胞疗法近年来已成为一种有效的治疗策略,间充质干细胞(MSC)因其自我更新和多向分化潜能而引起研究界的极大兴趣。之前的研究表明,人脐带间充质干细胞(hucMSC)具有治疗骨关节炎的潜力。与干细胞相比,来源于干细胞的细胞外囊泡(EV)没有免疫排斥等副作用,因此也受到广泛关注。
最近,来自南京医科大学第一附属医院(江苏省人民医院)骨科的研究团队深入研究了来源于人脐带间充质干细胞的细胞外囊泡(hucMSC-EV)在骨关节炎治疗中的效果。他们发现hucMSC-EV通过miR-1208与METTL3 mRNA相互作用,抑制促炎因子的分泌和软骨细胞外基质的降解,从而延缓小鼠骨关节炎进展。这项成果发表在《Stem Cell Research & Therapy》杂志上。

研究材料与方法
研究人员通过内侧半月板失稳术(DMM)建立了小鼠骨关节炎模型,并研究了hucMSC-EV对骨关节炎的保护作用,研究中所用的hucMSC由赛业OriCell®提供。他们还从接受全膝关节置换术的患者软骨中分离出人软骨细胞,并与THP-1细胞一起培养以模拟体内炎症环境,并探讨了EV对软骨细胞增殖、迁移、凋亡以及软骨ECM代谢的影响。此外,研究人员还测定了m6A RNA水平和METTL3蛋白表达,以便阐明外泌体疗法的分子机制。
技术路线
从hucMSC中分离出EV,并在小鼠模型上评估其对骨关节炎的影响。
通过测定m6A mRNA水平来评估EV与METTL3的相互作用。
通过miRNA芯片和生物信息学分析确定EV中的哪种miRNA与METTL3相互作用。
分析EV与METTL3相互作用对软骨细胞和细胞外基质的影响。
研究结果
hucMSC-EV可延缓小鼠骨关节炎进展
研究人员使用了赛业OriCell®提供的hucMSC,并通过超速离心从培养上清液中分离出EV。在鉴定了EV的形态特征和标志物表达后,他们确认巨噬细胞可以内吞EV。之后他们利用小鼠骨关节炎模型来评估EV的保护作用。实验中的小鼠被分为假手术(sham)组、PBS组和hucMSC-EV组,每周两次分别注射10μL PBS或hucMSC-EV。
他们发现,用hucMSC-EV治疗后小鼠膝关节的软骨磨损显著减少。与假手术组相比,用载体治疗后膝关节的骨赘形成显著增加,而EV治疗后骨赘形成减少。这些结果表明,hucMSC-EV可部分逆转小鼠膝关节的软骨降解和骨赘形成(图1)。同时,EV还限制了软骨ECM降解,并减少了促炎因子(IL-1β和IL-18)的表达。

图1. hucMSC-EV缓解了小鼠模型的膝盖骨关节炎
hucMSC-EV通过miR-1208与METTL3 mRNA相互作用
炎症是骨关节炎发生和进展的关键因素。于是,研究人员首先研究了NLRP3炎症小体是否参与了EV介导的疾病缓解。利用NLRP3−/−小鼠开展同样的研究后,他们发现EV失去了对小鼠膝关节软骨的保护作用,载体组和EV组的骨赘形成没有显著差异,而且EV对软骨ECM降解和促炎因子表达无影响,这意味着在骨关节炎小鼠模型中EV通过NLRP3发挥抗炎作用。
为了进一步探索其中的机制,研究人员利用THP-1细胞开展了体外实验。之前的研究发现METTL3介导的m6A改变会促进骨关节炎发展,m6A是真核细胞中mRNA上最常见的翻译后修饰。于是,他们测定了m6A mRNA水平和METTL3的蛋白表达。结果显示,EV组的METTL3表达水平远低于PBS组,m6A水平也显著降低。后续实验还表明,METTL3在巨噬细胞中发挥促炎作用,而EV通过下调METTL3表现出抗炎作用。
研究人员推测,EV中的某种miRNA可能在与METTL3相互作用后下调其表达并降低m6A水平,从而抑制NLRP3活性并降低炎症因子表达。结合miRNA芯片分析和在线数据库分析,他们发现miR-1208在hucMSC-EV中高表达,并且能够与METTL3结合(图2)。因此,他们认为EV中的miR-1208靶向巨噬细胞中的METTL3并发挥抗炎作用。后续实验也证实了这一点。

图2. EV中的miR-1208与METTL3结合发挥抗炎作用
hucMSC-EV促进软骨细胞增殖和迁移,并抑制软骨ECM降解
那么,EV与METTL3的相互作用对软骨细胞有何影响?研究人员从接受全膝关节置换术的患者软骨中分离出人软骨细胞,并与THP-1细胞一起培养来模拟体内的炎症环境。当LPS+Nig激活巨噬细胞后,软骨细胞的增殖率降低,凋亡率增加,且细胞迁移显著减少。而经过EV处理后,软骨细胞增殖率上升,凋亡率降低,且细胞迁移增加。这些结果表明,EV通过巨噬细胞中的METTL3促进软骨细胞增殖和迁移,并抑制细胞凋亡。
为了进一步明确miR-1208在EV介导的软骨保护中的作用,他们在小鼠骨关节炎模型中使用了miRNA拮抗剂。实验结果显示,当antagomiR-1208存在时,小鼠膝关节的骨赘显著增加,EV不抑制COL2A1和Aggrecan的降解,也不抑制ADAMTS5和MMP13的表达。这些现象说明,hucMSC-EV通过miR-1208抑制小鼠模型中软骨基质降解酶的表达和软骨ECM降解。
结论

图3. hucMSC-EV中的miR-1208与METTL3相互作用的模型
总的来说,这项研究发现hucMSC-EV可减少骨关节炎发生和进展,促进软骨细胞增殖和迁移,并抑制软骨细胞凋亡。EV中的miR-1208可靶向METTL3以减少NLRP3 mRNA甲基化,从而抑制促炎因子的分泌和软骨ECM的降解(图3)。这项研究成果为骨关节炎的临床治疗提供了一种新方法。
原文检索:
Zhou, H., Shen, X., Yan, C. et al. Extracellular vesicles derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells alleviate osteoarthritis of the knee in mice model by interacting with METTL3 to reduce m6A of NLRP3 in macrophage. Stem Cell Res Ther 13, 322 (2022). https://doi.org/10.1186/s13287-022-03005-9
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