Uric acid modulates stemness properties of mesenchymal stem cells

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is characterized pathologically by progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN) of the midbrain and the presence of Lewy bodies, proteinaceous fibrillar cytoplasmic inclusions that are composed mainly of aggregated α-synuclein. As a disease-modifying therapy, msenchymal stem cells (MSCs) are a potential source of cell-based therapy for PD because MSCs secrete various cytotropic factors including neurotrophic growth factors, chemokines, cytokines, and extracellular matrix protein which exert neuroprotective effects. A major challenge in MSCs-based therapy is to develop in vitro culture methods that mimic the natural MSC niche. Cell priming is a promising approach in MSC fate, lineage-specific differentiation, and functions and also enhances their therapeutic potential. Uric acid (UA), a powerful antioxidant, scavenges reactive oxygen species (ROS). ROS generated as the result of cellular metabolism, has a vital role in maintaining stemness and differentiation of MSCs. In the present study, I hypothesized that UA could efficiently decrease ROS levels against oxidative stress, and thus play a central role in maintaining stemness of MSCs. To do this, I evaluated whether MSC priming with UA exerted a more powerful neuroprotective effect in a parkinsonian model and thus provided a practical strategy to improve the application of MSCs in tissue engineering. In vitro, UA treatment in naïve MSCs stimulated glycolysis by upregulating PKM and LDH with no changes in PPP enzymes compared to control MSCs. Low-concentration and short-incubation UA treatment significantly upregulated transcriptional factors responsible for regulation of stemness. After induction with a differentiation medium in MSCs, UA treatment increased the expression levels of osteogenesis-, adipogenesis-, and chondrogenesis-related genes. Similarly, MSCs that were isolated from animals that received UA-enhancement therapy exhibited increased proliferation properties and increased expression of stemness-related markers OCT4, NANOG, and SOX2 with no changes in expressions of cellular senescence. Priming MSCs with UA increased cellular viability in neurotoxin-treated neuronal cells, relative to naïve MSCs, by inhibiting apoptotic signaling pathways in neurotoxin-induced cellular models. The prosurvival effect of MSCs on dopaminergic neurons in MPTP-treated mice was prominent, with better behavioral recovery of motor deficits in primed MSC-treated mice compared to that in naïve MSC-treated mice. Finally, expression of miR-137 and miR-145 were relatively decreased in UA-treated MSCs compared to that in control MSCs. In summary, piming MSCs with UA exerts neuroprotective properties through enhanced stemness and differentiation potential in parkinsonian models, suggesting a practical strategy for improving the application of MSCs in parkinsonian disorders.

파킨슨병은 중뇌 흑질에서 도파민성 뉴런이 점진적으로 손실되고 주로 응집된 알파시뉴클레인으로 구성된 단백질피브릴라 세포질 포착물인 루이소체가 존재하는 것이 병리학적으로 특징이다. 질병 치료 전략으로서, 중간엽줄기세포는 신경영양성장인자, 케모카인, 시토카인, 세포외 기질단백질 등 다양한 세포방성인자를 분비해 신경보호 효과를 발휘하기 때문에 파킨슨병의 세포기반 치료의 원천으로서 잠재력이 크다. 중간엽 줄기세포 기반 치료의 가장 큰 당면과제는 자연적인 중간엽 줄기세포 틈새를 모방한 체외 배양 방법을 개발하는 것이다. 세포 프라이밍은 중간엽 줄기세포 운명, 혈통별 차별화, 기능에 대한 접근방식이 유망하며 치료 잠재력도 강화한다. 요산은 강력한 항산화 물질로서 활성산소종을 스캐빈다. 세포 신진대사의 결과로 생성된 활성산소종은 줄기세포를 주성화하고 분화시키는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서 요산이 산화 스트레스에 대한 활성산소종 수준을 효율적으로 낮출 수 있다고 가정했고, 따라서 중간엽 줄기세포의 상태를 유지하는 데 중심적인 역할을 한다. 이를 위해 파킨슨 모델을 이용한 중간엽 줄기세포 프라이밍이 보다 강력한 신경보호 효과를 발휘해 조직공학에서 중간엽 줄기세포 적용을 개선하는 실질적인 전략을 제공하는지 평가했다. 세포 실험에서 중간엽 줄기세포의 요산 처리는 대조군에 비해 PPP의 레벨에는 변화가 없었고 PKM과 LDH의 레벨을 증가시켜 당분해를 자극했다. 저농도의 짧은 요산 배양은 줄기능 조절 관련 전사인자 발현이 현저히 증가했다. 분화배양액으로 중간엽 줄기세포를 분화시킨 후에 요산 처리는 골형성, 지방형성, 연골형성 관련 유전자의 발현을 증가시켰다. 마찬가지로, 요산 상승요법을 받은 동물에서 분리되어 배양된 중간엽 줄기세포는 세포 증식이 증가하였고 세포 노화에는 변화가 없이 줄기능 관련 마커인 OCT4, NANOG, SOX2의 발현이 증가했다. 요산으로 프라이밍한 중간엽 줄기세포는 신경 유도 세포 모델에서 세포사멸 신호경로를 억제하여 신경세포에서 세포생존성을 증가시켰다. MPTP 처리된 생쥐의 도파민성 뉴런에 대한 중간엽 줄기세포의 프로생존 효과는 중간엽 줄기세포가 주입된 생쥐에 비해 프라이밍된 중간엽 줄기세포를 주입한 생쥐에서 운동결손에서 더 나은 행동회복을 보였다. 마지막으로, miR-137과 miR-145의 발현은 대조군과 비교하여 요산 처리된 중간엽 줄기세포에서 상대적으로 줄어든다는 것을 알아냈다. 우리의 데이터는 요산으로 프라이밍한 중간엽 줄기세포가 파킨슨병 모델에서 줄기능과 분화 잠재력을 향상시킴으로써 신경 보호 특성을 발휘하며, 파킨슨병 치료 시 중간엽 줄기세포 적용을 개선할 수 있는 실질적인 전략임을 암시한다.