CD146+ Nanovesicles from Human Tonsil-Derived Mesenchymal Stem Cells Reduce Cellular Senescence and Reverse Aging in Skin, Brain, and Liver of Mouse Model.

Abstract

Cellular senescence, a defining aspect of aging, greatly contributes to the progressive dysfunction of tissues and organs that accompany the aging process. Recently, nanovesicles (NV), which are derived from tonsil mesenchymal stem cells (MSCs) (TMSC-NVs), have been investigated for their potential to reverse cellular senescence, particularly oxidative stress-induced senescence. However, the mechanisms by which TMSC-NVs control this process remain unclear. In this study, we focused on CD146, a surface marker utilized to determine specific MSC subgroups, and examined the therapeutic roles and antiaging potential of CD146+ TMSC-NVs. We used a passage-associated senescence model of human dermal fibroblasts (HDFs), which is an ex vivo model of human skin photoaging caused by ultraviolet B (UVB) radiation, and a natural aging mouse model. Our results indicate that CD146+ TMSC-NVs treatment significantly promoted cell proliferation and increased collagen type I (COL1), Elastin, and antioxidant gene expressions by 530%, 665%, and 971%, respectively, compared with old HDFs. Microarray analysis revealed differential expressions of senescence-related genes in CD146+ TMSC-NVs-treated HDFs compared with untreated old HDFs, with the gene expression profile of treated cells closely resembling that of young HDFs. Gene ontology and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes enrichment analyses were conducted to investigate the therapeutic mechanisms underlying the antiaging effects. The results indicated that CD146+ TMSC-NVs downregulated the cellular senescence pathway at the gene level, highlighting their potential antiaging effects. CD146+ TMSC-NVs (50 and 100 μg/ml) were applied to the ex vivo model of human skin photoaging induced by UVB radiation according to the results of the passage-associated senescence model of HDFs. The results revealed a significant increase in COL1, COL3, and Elastin expressions by 91%, 87%, and 10%, respectively, in the dermis of the group treated with CD146+ TMSC-NVs of 50 μg/ml compared with the UVB group. However, the expression of matrix metalloproteinase 13 (MMP-13) decreased by 45% compared with that of the UVB group. Significant increases in involucrin, filaggrin, and loricrin expressions by 250%, 340%, and 114%, respectively, were observed in the epidermis in the group treated with CD146+ TMSC-NVs of 50 μg/ml compared with the UVB group. These results indicated that CD146+ TMSC-NVs improved the extracellular matrix (ECM) in the dermis and improved the skin barrier function through increased epidermal production, emphasizing their potential for skin rejuvenation applications. The relative COL1 expression decreased significantly by 8% in the old skin compared to the young skin in the natural aging mouse model, whereas Elastin expression was increased by 10%. CD146+ TMSC-NVs increased COL1 expression by 14% compared to the old group and decreased Elastin expression by 5%. Immunohistochemical analysis revealed that the CD146+ TMSC-NVs treatment group demonstrated a significant reduction in p-Tau expression in the brain by 47% compared with the old group, resembling the levels observed in the young group. Furthermore, CD146+ TMSC-NVs treatment reduced Aβ expression by 41%. Western blot analysis revealed that the CD146+ TMSC-NVs treatment group demonstrated a reduction in p-Tau and Aβ expression compared with the old group, whereas CD146− TMSC-NVs exhibited no comparable effect. All treatment groups, including the TMSC-NVs, CD146+ TMSC-NVs, and CD146− TMSC-NVs, demonstrated reductions in α-SMA expressions in the liver by 16%, 24%, and 38%, respectively, compared with the old group. However, no significant differences in perilipin-1 expression were observed between the old and all TMSC-NVs-treated groups. In conclusion, CD146+ TMSC-NVs effectively reduced cellular senescence and reversed aging in the skin, brain, and liver of mouse models. These results indicate the significant therapeutic potential of CD146+ TMSC-NVs in antiaging treatments.

출산율의 감소와 기대수명의 증가로 인해 전 세계 고령화는 전례 없는 수준에 이를 것으로 예상된다. 이러한 변화는 다양한 질병의 발병과 연관되어 사회, 의료 시스템 및 경제에 상당한 부담을 안겨주고 있다. 이에 항노화와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있으며 줄기 세포 기반 치료법이 각광받고 있다. 하지만 줄기세포의 임상적 한계가 드러나면서 나노 크기의 생체 모방 소포체가 많은 관심을 받고 있다. 최근 연구에 따르면 편도 중간엽 줄기세포에서 추출한 나노 소포체는 세포 노화, 특히 산화 스트레스로 인한 노화를 역전시킬 수 있는 잠재력 있는 것으로 밝혀졌다. 이에 본 연구에서는 중간엽 줄기세포의 특정 하위 그룹을 식별하는 데 사용되는 표면 마커인 CD146에 집중하여 편도 유래 중간엽 줄기세포에서 추출한 CD146+ 나노 소포체의 치료적 역할과 항노화 잠재력을 연구하였다. CD146+ 나노 소포체를 인간 피부 섬유아세포의 노화 모델, 자외선 방사선에 의해 유도된 인간 피부 광노화의 생체 외 모델, 자연 노화 마우스 모델에 적용하였다. 연구 결과, CD146+ 나노 소포체는 노화 섬유아세포에서 세포 증식을 촉진하고, 세포외기질 성분과 항산화 유전자의 유전자 발현을 향상시켰다. 또한 노화 관련 베타-락토시다제 활성을 감소시킨다는 사실을 밝혀 냈다. 항노화 효과의 기전을 유전자 수준에서 분석하기 위해 시행한 Microarray 분석 결과, CD146+ 나노 소포체로 처리된 섬유아세포는 처리되지 않은 노화 섬유아세포와 비교하여 노화 관련 유전자의 발현이 차별적으로 나타났으며, 이는 젊은 HDF의 유전자 발현과 매우 유사하게 나타났다. 또한 CD146+ 나노 소포체는 세포 노화 경로의 특정 유전자 발현을 억제하여 세포 노화를 막는다는 것을 확인할 수 있었다. 방사선에 의해 유도된 인간 피부 광노화의 생체 외 모델에서는 50 μg/ml의 CD146+ 나노 소포체를 처리한 그룹에서 방사선 조사 그룹에 비해 Collagen과 Elastin의 발현이 유의미하게 증가하였고, MMP-13의 발현은 감소했다. 또한 표피에서도 피부 방어 기능이 있는 Involucrin, Filaggrin, Loricrin의 발현이 유의하게 증가하였다. 이러한 결과는 CD146+ 나노 소포체가 진피의 세포외기질과 표피 생성을 증가시켜 피부에서의 항노화 효과 가능성을 보여주었다. 또한 자연 노화 마우스 모델에서 CD146+ 나노 소포체는 피부에서 collagen type 1의 발현을 증가시키고 Elastin의 발현은 감소시켰으며, 뇌에서는 노화된 쥐 그룹에 비해 phostphorylated Tau와 Amyloid-β의 발현을 감소시켰다. 간에서는 간섬유화를 확인할 수 있는 α-SMA의 상대적 발현이 치료하지 않은 늙은 피부에 비해 치료 그룹에서 유의미하게 감소했다. 그러나 prilipin-1 발현은 노화된 쥐와 치료 그룹 간에 유의미한 차이는 없었다. 결론적으로, 세포 실험에서 인간 편도 유래 줄기세포로부터 추출한 CD146+ 나노 소포체는 세포 노화를 효과적으로 감소시켰으며, 노화된 쥐의 피부, 뇌, 간 조직의 실험에서도 노화 방지 치료를 위한 치료 전략으로서 상당한 잠재력을 제공한다는 결과를 얻을 수 있었다.