Human embryonic stem cell-derived mesenchymal stem cells ameliorate severe acute pancreatitis in a rat model

Abstract

Background: Severe acute pancreatitis (SAP) is a fatal disease with high mortality. Mesenchymal stem cells (MSCs) are possible therapeutics for SAP. However, human embryonic stem cell-derived MSCs (hES-MSCs) have not yet been studied for the treatment of SAP. Methods: SAP was induced in Sprague-Dawley rats by intraductal injection of 3% sodium taurocholate solution. After SAP induction, survival rates and pathologic change of pancreas were compared between hES-MSCs infused and normal saline (NS) infused rats. Serum inflammatory cytokines levels were measured via enzyme linked immunosorbent assay. Immunofluorescence stain with anti-Human Nuclear Antigen-antibody and luciferase transfected hES-MSCs (hES-MSC-Luc) were used to trace the biodistribution of MSCs. Results: Compared to NS infused SAP rats, hES-MSC infused SAP rats had significantly higher survival rate (18/26 vs 13/13 at 24 hours, p = 0.025, and 10/20 vs 8/8 at 48 hours, p = 0.013) and reduced serum amylase and lipase levels (6930 ± 1440 vs 2708 ± 735 at 48 hours, p=0.022 and 1126 ± 107 vs 786 ± 87 at 48 hours, p = 0.049). Also, pathology scores of the pancreas showed that hES-MSC infusion improved pancreatitis compared to NS infusion (8.2 ± 1.2 vs 7.0 ± 0.9 at 24 hours, p = 0.019, and 8.0 ± 1.2 vs 5.8 ± 1.4 at 48 hours, p < 0.001). Immunofluorescence revealed that hES-MSCs were present in the lung of SAP rats, but not in the pancreas. In vivo biodistribution tracing also confirmed that hES-MSC-Luc was trapped in the lung without uptake observed in the pancreas. IL-1β, IL-6, INF-γ, and TNF-α decreased significantly foll owing hES MSC infusion in SAP rats compared to NS. Conclusions: hES MSC therapy was safe and eff ectivly reduce pancreatic damage and mortality in a SAP rat model. hES MSC s function seemed to work as an immunomodulator via inhibiting inflammatory cytokines These findings suggest ed that the hES MSC m ight be a potential therapeutic agent for SAP in human. 연구배경: 중증 급성 췌장염은 높은 치사율을 보이는 치명적인 질환으로 여겨지고 있지만, 효과적인 치료제는 아직까지 존재하지 않는다. 중간엽 줄기세포는 다분화 능력과 면역조절 기능으로 인하여 중증 급성 췌장염의 가능성 있는 치료제 중 하나로 고려되고 있지만, 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기 세포의 췌장염 치료제로서의 가능성에 대해서는 아직까지 연구된 바가 없다. 연구방법: Sprague-Dawley 랫드 의 3% sodium taurocholate 담도 내 투여 수술법을 이용하여 중증 급성 췌장염 랫드 모델을 구축하였다. 췌장염 유도 수술을 한 직후에 꼬리 정맥을 통하여 생리 식염수 또는 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기 세포 를 투여하고 그 치료효과를 생리식염수 투여 대조군과 비교하였다.. 수술 후 24, 48 시간 째 생존률 및 혈액 내 췌장 효소 농도 및 염증성 사이토카인 농도를 ELISA 법을 통하여 측정하였고, 24, 48시간 째 생존한 중증 급성 췌장염 rat 모델의 췌장을 병리 분석하여 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포의 치료 효과를 확인하였다. 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기 세포의 랫드 체내 분포를 확인하기 위하여 anti-Human Nuclear Antigen-antibody 면역 형광 염색 및 Luciferase 가 주입된 인간 배아줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포를 이용하여 생체 분포를 추적하였다. 연구결과: 인간 배아줄기 세포 유래 중간엽 줄기 세포를 투여한 중증 급성 췌장염 랫드 모델에서 생리식염수를 투여한 경우에 비하여 통계적으로 유의한 생존률의 향상이 확인 되었고, 혈중 아밀라아제와 리파아제 농도가 유의하게 낮게 측정 되었다. 또한, 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포를 투여한 그룹에서 생리식염수를 투여한 그룹에 비하여 췌장의 병리학적 손상 소견이 유의하게 완화된 것으로 판단되었다. 면역형광 염색 결과 랫드 모델의 폐 조직에 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포가 존재하는 것이 확인 되었으나 랫드 모델의 췌장에서는 발현이 확인되지 않았다. Luciferase 가 주입된 인간 배아줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포를 실시간 생체 추적 관찰 하였을 때, 랫드 체내 주입 즉시 폐에 모이는 것으로 관찰 되었고, 정상 랫드에서는 약 24시간 후에 체내에서 배출 되었으나 중증 급성 췌장염 랫드 모델에서는 약 72시간 후에 배출됨을 확인할 수 있었다. 염증성 사이토카인 IL-1β, IL-6, INF-γ, 및 TNF-α 의 혈중 농도는 는 인간 배아줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포를 투여 한 뒤 생리식염수를 주입한 경우와 비교하여 유의한 감소가 확인되었다. 결론: 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기 세포 치료는 안전하교 효과적으로 중증 급성 췌장염 랫드 모델의 췌장 손상을 줄이고 사망률을 감소시키는 것으로 확인되었으며, 이는 염증성 사이토카인 억제를 통한 면역 조절 기능으로 인한 것으로 판단되었다. 이는 인간 배아 줄기 세포 유래 중간엽 줄기세포가 중증 급성 췌장염에 대한 치료 수단으로 사용될 수 있음을 시사하는 결과라 하겠으며, 향후 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.