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干细胞不仅改善血糖,亦通过旁分泌机制保护血管免受损伤

糖尿病是全球增长最快的代谢疾病,预计到2045年将影响约6.93亿人的健康。大血管疾病(动脉粥样硬化和心脏病)和微血管疾病(肾病、视网膜病和神经系统疾病),是糖尿病引起的最常见的并发症。如心力衰竭、中风、静脉和动脉血栓形成、心肌病和视力障碍,是导致心血管疾病的高风险诱因内皮损伤是大多数血管并发症的主要早期问题,高血糖严重抑制内皮细胞活力,加速内皮细胞凋亡和衰老。

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迄今为止,针对糖尿病血管并发症的药物很少,常用的药物如双胍类(二甲双胍)、磺脲类、噻唑烷二酮类(格列酮类)、格列奈类(glinides)和α-葡萄糖苷酶抑制剂,但仅是间接靶向血糖稳态,修复血管损伤。而且这些药物在临床上仍存在副作用,因此,需要新的方法来专门针对糖尿病的血管并发症。

目前,基于间充质干细胞 (MSCs) 的干细胞手段已被公认为干预糖尿病及其并发症等多种疾病的有效方法。MSCs具有归巢和旁分泌能力,能够迁移到受损组织部位并释放细胞外囊泡、生长因子、趋化因子和细胞因子,从而调节免疫反应并修复受损组织。例如,间充质干细胞分泌生长因子(bFGF、IGF-1、HGF和VEGF等)刺激细胞增殖和组织修复;分泌抗炎因子(IL-10和IL1-RA)抑制局部炎症;分泌外泌体和细胞外RNA触发细胞间通讯和调节。临床研究表明,回输MSCs的糖尿病人群的餐后血糖和HbA1水平显著降低

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此外,间充质干细胞通过改善血管生成、减少氧化应激损伤巨噬细胞浸润、加速组织修复和再生,在干预糖尿病并发症(如视网膜病变、肾病和足部溃疡)方面具有修复潜力。因此,间充质干细胞可以作为修复糖尿病及其并发症的一种有前途的方法。

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考虑到MSCs的组织修复促血管生成能力研究者提出了一个假设,即MSCs可以通过旁分泌作用恢复糖尿病引起的血管内皮损伤。为了验证这一点,他们采用人脐带间充质干细胞(hucMSCs)干预糖尿病动物模型试验和在人内皮细胞(HUVECs)模型进行研究,探讨了间充质干细胞对糖尿病内皮损伤的效果和旁分泌机制。该研究结果hucMSCs干预糖尿病血管并发症提供了新的认识,表明间充质干细胞是临床细胞应用的理想来源。

01

试验研究

为了评价人脐带间充质干细胞对血糖和血管内皮功能的修复作用,在回输细胞之前和回输细胞之后(1、2、3、4周)每周监测糖尿病受试对象的体重和FBG。在细胞使用4周后(最后一次细胞回输后7天)检测了ICAM-1(细胞间黏附分子)和VCAM-1(血管细胞间黏附分子)的血液水平。模型组ICAM-1、VCAM-1水平显著高于对照组,VCAM-1水平显著恢复到正常水平。

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高、低剂量人脐带间充质干细胞回输后,主动脉内皮组织学形态明显改善,内膜光滑完整,内皮细胞恢复。此外,图B显示模型受试对象的平均内皮厚度显著高于正常对象,证实细胞干预组均显著恢复。免疫组化结果显示,模型组p-ERK和HH3阳性棕色信号明显改变,细胞调理促进其恢复。

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hucMSCs对糖尿病引起的主动脉内皮组织病理学改变的影响。

为了确定间充质干细胞对上皮细胞的旁分泌作用,研究者评估了细胞干预组的细胞活力、伤口愈合和 transwell 迁移。图A、B中,模型组荧光强度明显低于对照组,而细胞干预组荧光强度明显恢复正常水平。模型组内皮细胞的transwell迁移明显受到抑制,而间充质干细胞干预组的内皮细胞的 transwell 迁移明显恢复正常。

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MSC对HUVEC细胞活力、伤口愈合和细胞迁移的影响。

与对照组相比,内皮细胞的管形成被严重破坏,间充质干细胞对其发挥了修复效果。对糖尿病内皮细胞小管网络的形成起到了旁分泌作用。

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hucMSCs对HUVECs小管形成的影响

检测细胞衰老(P16、P53、BAX、IL-6、TNF-α)和管状形成(ET1、ICAM-1、VCAM-1)相关基因的mRNA表达,分析细胞回输对处于高血糖状态的内皮细胞的分子调控。发现,高血糖显著上调了这些基因的mRNA表达,而间充质干细胞有效地恢复了改变,表明其对糖尿病造成的内皮细胞衰老和管形成抑制具有积极的分子作用。

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mRNA在对照组、模型组和MSC组中表达HUVECs细胞衰老和管形成相关基因。

在共培养条件下进行了细胞活力测定、伤口愈合transwell 测定和PCR。模型组的细胞活力明显低于对照组,而MSC干预组的细胞活力显着提高。图B、C中,模型组创面愈合能力明显受到抑制,而MSC干预组恢复正常。在图D、E,模型组内皮细胞 transwell 迁移明显受到抑制,MSC干预组内皮细胞transwell迁移明显恢复正常。在图F中,模型组炎症(IL6、TNF-α)、迁移(ET1)和细胞凋亡(BAX)的 mRNA 表达水平显着上调,而MSC组显著逆转,这进一步证实了间充质干细胞MSC的旁分泌作用机制。

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共培养条件下hucMSCs对HUVECs细胞活力、伤口愈合、细胞迁移和mRNA表达的影响。

02

结论观点

糖尿病血管并发症是糖尿病患者最常见的死亡原因,可导致大血管(动脉粥样硬化和心脏病)和微血管(肾病、视网膜病和神经病)疾病。内皮损伤或功能障碍在糖尿病血管并发症过程中起初步作用,表现为血管收缩因子分泌增加、内皮细胞受损、内皮通透性紊乱、血栓形成紊乱等。

内皮细胞衰老在糖尿病心血管疾病(如动脉粥样硬化)的发展中起关键作用,表现为细胞外观增大、炎症分泌和 SA-β-gal 活性增强、衰老相关基因和蛋白质表达增加等特征。因此,内皮损伤可作为糖尿病血管并发症干预的重要靶点。在本研究中的数据表明,人脐带间充质干细胞不仅可以改善血糖,还可以通过改善内皮细胞的细胞活力、伤口愈合能力、迁移、衰老和炎症状态以及血管生成来修复内皮的糖尿病损伤,其中MAPK/ERK信号介导其分子旁分泌作用机制(下图)。

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hucMSCs 改变葡萄糖对内皮细胞损伤的负面影响的机制。

红色箭头代表高糖诱导的损伤过程,绿色箭头代表 MSCs 干预过程

间充质干细胞已被广泛研究用于调理糖尿病,很多临床研究对其血糖调节作用进行了评估。本文是第一项报道人脐带间充质干细胞对糖尿病血管内皮损伤的功效的研究。体内数据表明,人脐带间充质干细胞改善了糖尿病动物模型的高血糖和体重,并在组织病理学和血管功能方面修复了受损的血管内皮。体外数据进一步证实,人脐带间充质干细胞通过旁分泌作用改善了高葡萄糖损伤的内皮细胞的细胞活力、伤口愈合、迁移、血管生成和细胞衰老状态。

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