Combination of GSK3 and HDAC inhibitors increases gene expression efficiency to the hypoxia/neuron- specific system : an optimal experimental scheme in treating spinal cord injury

Abstract

이전 연구를 통해 유전자 혹은 줄기세포 단일 치료 전략은 각각의 전략이 갖는 한계점 (낮은 유전자 전달 효율 및 줄기세포 치료효능)으로 인해 난치성 척수손상을 효과적으로 치료하는데 충분하지 못하다는 것을 확인했다. 따라서, 줄기세포와 유전자 치료를 결합한 치료 전략은 각각의 치료 전략이 갖는 단점을 보완할 수 있는 방법으로 많이 연구되어왔다. 척수손상(SCI)은 신경 조직의 손상과 혀헐성 환경을 유발한다. 따라서 줄기세포와 유전자 치료 그리고 허혈 특이적 시스템의 조합은 손상 받은 척수손상 치료를 향상시키기 위해 좋은 전략이 될 수 있다. 이를위해 허혈/신경조직 특이적 유전자 발현시스템 (HNIS)과 리프로그래밍 기술에 의해 제작된 인간 유래 유도신경줄기세포를 이용하여 연구를 디자인했다. Sox2- 혹은 Nestin-양성 hiNSCs 는 Tuj1-과 MAP2-, 혹은 NeuN-양성의 신경세포로 분화되었다. 허혈/신경조직 특이적 유전자 발현 시스템이 도입된 인간 유도 신경줄기세포는 허혈성 조건에서 허혈/신경세포 특이적인 유전자 발현양상을 일관적으로 보여주었다. 특히, 허혈/신경조직 특이적 유전자발현 시스템이 도입된 인간 유도신경줄기세포는 각각의 단독 시스템 (예를들면 신경조직 특이적 유전자발현시스템)과 비교하여 월등한 유전자 발현 효율을 보였다. 게다가, glycogen synthase kinase-3β (GSK3β) 억제제인 CHIR99021 과 histone deacetylase (HDAC) inhibitors 인 valproic acid 저분자화합물 조합이 허혈/신경조직 특이적 유전자발현 시스템의 발현 효율을 유의하게 향상시키는 것을 찾았다. 본 실험은 GSK3β 및 HDAC 억제제와 허혈/신경조직 유전자 발현 시스템 그리고 유도신경줄기세포가 척수손상 치료에 가능성을 보여준다. Spinal cord injury (SCI) tends to damage neural tissue and generate a hypoxic environment. Studies have confirmed that single therapy with gene or stem cells was inefficient, but combining stem cells and gene therapy in treating tissue damage has been studied to overcome some limitations, such as low gene delivery efficiency and therapeutic outcome. Thus, a combination of stem cells, gene therapy and hypoxia-specific system may be useful for the reconstruction of injured spinal cord. To synergistically treat SCI, I designed a combined platform (HNIS-hiNSCs) using a hypoxia/neuron-inducible gene expression system (HNIS) and human induced-neural stem cells (hiNSCs) produced by direct reprogramming. Sox2- or Nestin-positive hiNSCs were differentiated to Tuj1-, MAP2-, or NeuN-positive neurons. HNIS showed consistent hypoxia/neuron-specific gene expression in hiNSCs cultured under hypoxia. In particular, HNIS-hiNSCs revealed a complex pattern with higher gene expression compared with a single platform, such as a neuron-specific gene expression system (NSE). In addition, we found that an optimal combination of small molecules, such as CHIR99021, valproic acid, glycogen synthase kinase-3β (GSK3β) and histone deacetylase (HDAC) inhibitors, which could significantly enhance gene expression with HNIS-hiNSCs in the hypoxic environment. This experiment demonstrated that HNIS-hiNSCs combined with GSK3 and HDAC inhibitors may present another promising strategy in the treatment of SCI.