Protective effects for hypoxic cardiomyocytes by culture broth of mesenchymal stem cells

Abstract

[한글]

허혈은 심근에 치명적인 재생 불가능한 손상을 일으키며, 이러한 경색된 부위의 심장 기능은 정상적으로 복원 되지 않는다. 심근 상처 조직 또는 손상된 심장에 줄기세포를 이식하는 방법은 심실의 기능을 복구 시킬 수 있는 치료법이 될 수 있다고 제안 되어왔고, 줄기 세포 중 성체줄기세포의 간엽 줄기 세포는 비 조혈 조직인 신경세포, 골격근육모세포, 심장 근육 세포 등 많은 조직으로 분화 될 수 있는 능력을 가지고 있다고 보고되었다. 이러한 특성을 이용하여 간엽 줄기 세포를 유사 심근 세포 (cardiac-like)로 분화시키기 위해 여러 연구가 수행되어 왔지만 여전히 미흡한 상태이며, 최근 들어서 줄기세포가 저산소증과 같은 특정상황에서 분비시키는 인자들에 의한 주변분비 효과가 저산소증 심근세포의 생육에 효과적으로 작용하여 심근의 기능을 개선시킨다는 새로운 이론이 밝혀지고 있다.본 연구에서는 간엽 줄기 세포가 저 산소 성 상태에 있을 때 방출된 인자들을 함유한 배지(hypoxia conditioned media)를 이용하여 저 산소 증 심근 세포에 처리된 군과 처리 되지 않은 군을 비교하였다. 우선, 심근 세포에서 수축-이완의 기능을 조절하는데 중요하게 다루어지는 칼슘 통로의 발현 정도를 비교 함으로서 간엽 줄기 세포의 hypoxia conditioned media가 저산소증 심근 세포의 칼슘 항상성을 향상시킴을 증명하였다. 또한 세포 분화와 관련된 신호 기작을 비교 대상으로 하여 hypoxia conditioned media의 유무에 따른 저산소증 심근세포를 비교 분석한 결과, 간엽 줄기 세포로부터 분비된 인자가 저 산소 증 심근 세포의 분화를 활성화 시킨다는 결과를 얻을 수 있었다.즉, 심근 세포에 허혈 상태가 유도 되었을 때 비정상적인 칼슘 통로 발현이 일어나며 세포 내 칼슘 항상성에 이상이 발생하여 과부하가 일어난다. 결국 심근 내 혈류 속도의 감소, 압력 과부하로 인한 심 부전 및 심 비대가 발생하게 되고, 이러한 현상에서 간엽 줄기 세포의 저 산소 성 상태의 배지를 투여하여 주변분비 효과를 유도, 이 는 심근 기능을 향상시키는 역할을 수행하였음을 밝혀 내었다.

[영문]Ischemia is a major factor of cardiovascular diseases, which is chronically stunned and hibernating myocardium. It results in myocardial infarction (MI), left ventricular remodeling, and heart failure. As a clinical study, researchers have experimented with a variety of different cell types to induce functional improvement in the ischemia heart disease (IHD). In the cell types, mesenchymal stem cells (MSCs) are reported to have the capacity to survive cardiomyocytes. Especially, secreted proteins from MSCs have been recognized to recover cellular functions on IHD. So, we prepared hypoxia conditioned media (HCM) from ischemic MSCs and found out that it contained several proteins by proteomic analysis. We investigated changes in the hypoxic cardiomyocytes survival rate in the presence of HCM, phosphorylation of ERK1/2, gene expression of Ca2+-handling proteins, various ion channels, and ion exchangers. We also examined infarct size of heart by surgical occlusion of the left anterior descending (LAD) coronary artery. Survival rate of HCM-treated hypoxic cardiomyocytes was increased about 1.6-folds compared to hypoxic cardiomyocytes and phosphorylation of ERK1/2 was increased about 2.7-folds compared to hypoxic cardiomyocytes. In vivo, after heart ligation, infarct size of HCM-treated heart was decreased 22.3% in comparison with only ligated heart. We also observed significant induction and suppression in transcription levels of Ca2+-handling proteins (calreticulin, calmodulin), ion channels (L-type Ca2+-channel) and ion exchangers (SERCA2a, Phospholamban, Na+K+ATPase, Na+/Ca+ exchanger) in HCM-treated cardiomyocytes. The altered levels of Ca2+ -related protein are nearly recovered from the effects of the hypoxia in the presence of HCM. These findings suggested that MSCs secrete paracrine-acting agents with cardio-protective and/or inotropic properties that can rescue hypoxic cardiomyocytes and improve ventricular function.