Extracellular vesicles derived from human cardiac mesenchymal stromal cells and their angiogenic potential

Abstract

Cardiac regeneration with adult stem cell therapy is one of promising fields to address advanced cardiovascular diseases. In addition, extracellular vesicles (EVs) from stem cells have a role as cellular cargo and as a paracrine factor to improve cardiac function after stem cell therapy. The recent discovery of adult cardiac stem cells has greatly increased the academic interest in cardiovascular regeneration. However, debates regarding c-kit positive cell, putative cardiac stem cell, raise questions about the existence of human adult cardiac stem cells, lately. In our work, we isolated human cardiac mesenchymal stromal cells (CMSCs) through three-dimensional organ culture and compared their functional efficacy with human bone marrow derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs). The isolated CMSCs exhibited CD90(low), c-kit(negative), CD105(positive) phenotype. Additionally, the CMSCs expressed NANOG, SOX2, and GATA4. To determine the effective type of EVs isolated from different sources of adult stem cells for angiogenesis, we isolated the EVs from CMSCs under normoxic or hypoxia-conditions and EVs from BM-MSCs under normoxic conditions were used as control. Our result demonstrated that EVs isolated from hypoxia-conditioned CMSCs showed the most augmented ability of in vitro capillary tube formation than other two groups. This indicated that the EVs secreted from the CD90(low), c-kit(negative), CD105(positive) CMSCs under hypoxic conditions promote angiogenesis in vitro. Our findings provide novel insights into understanding cardiovascular repair. 줄기세포에 의한 심장 재생은 가까운 미래에 말기 심혈관 질환을 해결할 수 있는 치료제로 많은 기대를 모으고 있는 분야 중의 하나이다. 또한, 줄기세포로부터 유래된 세포외 소포체 (extracellular vesicles, EVs)는 세포의 운반체로서의 역할을 하며 줄기 세포 치료 후에 나타나는 심기능 개선에 측분비인자 (paracrine factor)로 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 연구를 통해 심장 성체 줄기세포의 존재가 알려지면서 심장 재생 연구는 더욱 활발하게 진행되었다. 그러나 잠재적 심장 줄기세포로 여겨졌던 c-kit 양성 세포에 대한 논란이 발생하면서 사람에게 심장 성체 줄기세포가 과연 존재하는 가에 대한 의문까지 제기 되고 있는 상황이다. 이에 본 연구에서는 사람 심장 조직의 생체외 (ex vivo) 증식 및 3차원 동적 조직배양을 통해 심장 중간엽 기질세포 (cardiac mesenchymal stromal cell; CMSC)를 분리 및 동정하여, 가장 많이 연구된 성체 줄기세포의 하나인 사람 골수 유래 중간엽 줄기세포 (human bone marrow derived mesenchymal stem cells)와 특징 및 성능을 비교 하였다. 이를 통해 CMSCs가 CD90(low), c-kit(negative), CD105(positive)의 표현형을 나타내며 NANOG, SOX2 및 GATA4를 발현함을 확인 할 수 있었다. 또한 각각의 세포로부터 EVs를 추출하여 혈관 형성에 더욱 효과적인 EVs가 무엇인지 평가 하였다. 이를 위해CMSCs의 EVs는 정상 산소와 저 산소 조건에서 세포를 배양하여 추출 및 실험을 하였다. 사람 제대 정맥 세포를 이용한 모세 관 형성 (capillary tube formation) 실험에서 저 산소 조건에서 배양된 CMSC로부터 얻은 EVs가 더 효과적으로 모세 관 형성을 하는 것이 관찰되었다. 본 연구를 통해 저 산소 조건의 CD90(low), c-kit(negative), CD105(positive) CMSCs가 체외 미세 관 형성 실험에서 다른 군에 비해 좀 더 효과적인 EVs를 분비한다는 것을 알 수 있었으며 이러한 결과는 심혈관 복구에 대한 이해에 더 많은 통찰력을 주며 향후 연구 설계에 도움이 될 것으로 기대한다.