Therapeutic potential-enhanced mesenchymal stem cell-derived nanovesicles

Abstract

중간엽 줄기세포 이식의 안전 관련 쟁점과 낮은 이식 생존율로 인해, 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀은 심근경색과 척수 손상을 포함한 다양한 질병의 대체 치료제로서 각광받고 있다. 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀이 중간엽 줄기세포 치료에 비해 갖는 장점에도 불구하고, 낮은 생산성과 낮은 표적 효능으로 인해 임상 적용에 여러 가지의 제한이 있는 상황이다. 이러한 점들을 극복하기 위해, 엑소좀-모방 나노베지클이 기존 엑소좀의 대체제로서 연구되고 있다. 그러나, 나노베지클 또한 개질 없이 표적 장기에 충분한 양이 축적되지 못한다. 본 연구에서는, 가공을 통해 치료 효능과 표적 물질이 향상된 중간엽 줄기세포로부터 얻은, 치료 효능이 증가된 나노베지클을 개발하였다. 먼저, 우리는 철나노입자가 함유된 중간엽 줄기세포 유래 나노베지클(철나노입자-나노베지클)을 개발하였다. 철나노입자-나노베지클은 경색이 온 심장에서의 잔류량은 자성 유도로 인해 극적으로 증가하였다. 게다가, 철나노입자는 철나노입자를 함유한 중간엽 줄기세포와 철나노입자-나노베지클의 치료성 RNA와 단백질을 증가시켰고, 이는 엑소좀의 낮은 생산성에 대한 우려를 감소시켰다. 철나노입자-나노베지클의 심장으로의 주사와 자성 유도는 염증 단계에서 치료 단계로의 이른 전환과 세포 사멸 및 섬유화 감소, 그리고 혈관 생성과 심기능 회복 효과를 향상시켰다. 이 접근법은 중간엽 줄기세포 유래 나노베지클 치료법의 치료 효능을 높이고, 심근 경색에 대한 임상적용의 길을 열어줄 것이다. 두 번째로, 우리는 대식 세포 세포막이 융합된 중간엽 줄기세포 (대식세포막 융합-중간엽 줄기세포)로부터 대식 세포 세포막이 융합된 엑소좀-모방 나노베지클(대식세포막 융합-나노베지클)을 개발하였고, 이의 치료 효능을 쥐의 척수손상 모델에서 확인하였다. 대식세포막 융합-나노베지클은 일반 중간엽 줄기세포 유래 나노베지클에 비해 허혈성 부위 표적 효능물질을 많이 포함하였다. 대식세포막으로부터 유래된 대식세포막 융합-나노베지클에 포함된 표적 효능물질은 대식세포막 융합-나노베지클을 전신 주사하였을 때 척수로의 축적을 증가시켰다. 대식세포막 융합-나노베지클의 증가된 축적은 세포 사멸과 염증을 감소시켰고, 축삭 손실을 예방, 혈관 형성을 촉진, 섬유화를 감소하였고, 이어서 척수 기능 향상시켰다. 이 결과들은 대식세포막 융합-나노베지클의 임상적용 가능성을 제시한다. 종합하여, 우리는 철나노입자-중간엽줄기세포와 대식세포막 융합-중간엽줄기세포로부터 얻은 나노베지클에서 경색이 온 심장과 다친 척수로의 축적을 증가시켜주는 치료 효능물질 또는 표적 효능물질이 증가한 것을 보여주었다. 개질된 중간엽 줄기세포로부터 유래된 나노베지클의 치료 효능을 높이는 우리의 새로운 접근법은 기존의 중간여 ㅂ줄기세포 또는 중간엽 줄기세포 유래 엑소좀 치료법의 좋은 대안이 될 것이다. 우리의 기술은 허혈성/염증성 질환에 대한 치료법으로 미래에 임상적용이 가능할 것이다.

Due to the safety issues and poor engraftment of mesenchymal stem cell (MSC) implantation, MSC-derived exosomes have been spotlighted as an alternative therapy for wide variety of diseases including myocardial infarction (MI) and spinal cord injury (SCI). Despite of the advantages of exosomes over MSC therapies, there are several limitations for clinical application due to the very small productivity and poor targeting ability to diseased organs after administration. To overcome these obstacles, exosome-mimetic extracellular nanovesicles (NVs) have been developed as an alternative to conventional exosomes. However, NVs also poorly accumulate in target organs without modification. Here, we developed therapeutic potential-enhanced NVs derived from MSCs that were engineered to possess increased therapeutic and targeting molecules. First, we developed NVs derived from iron oxide nanoparticles (IONPs)-incorporated MSCs (IONP-MSCs). The retention of injected IONP-MSC-derived NVs (IONP-NVs) within the infarcted heart was dramatically augmented by magnetic guidance. Furthermore, IONPs significantly increased the levels of therapeutic RNAs and proteins in IONP-MSCs as well as IONP-NVs, which can reduce the concern of low exosome-productivity. The injection of IONP-NVs into the infarcted heart and magnetic guidance induced an early shift from the inflammation phase to the reparative phase, reduced apoptosis and fibrosis, and enhanced angiogenesis and cardiac function recovery. This approach can enhance the therapeutic potency of an MSC-derived NV therapy and may pave the way for the clinical application of MI. Second, we fabricated macrophage membrane-fused-exosome-mimetic nanovesicles (MF-NVs) from macrophage membraned-fused MSCs (MF-MSCs) and confirmed their therapeutic potential in a clinically relevant mouse SCI model (controlled mechanical compression injury model). MF-NVs contained larger quantity of ischemic region-targeting molecules compared to normal MSC-derived nanovesicles. The targeting molecules in MF-NVs, which were derived from macrophage membranes, increased the accumulation of MF-NVs in the injured spinal cord after the in vivo systemic injection. Increased accumulation of MF-NVs attenuated apoptosis and inflammation, prevented axonal loss, enhanced blood vessel formation, decreased fibrosis, and consequently improved spinal cord function. These results present their possibility of clinical application for SCI. Together, we showed that NVs derived from IONP-MSCs or MF-MSCs contain greater therapeutic molecules or targeting molecules that can facilitate enhanced accumulation in infarcted myocardium or injured spinal cord. Our novel approach to augment therapeutic efficacy of NVs derived from modified MSCs can be a good replacement of conventional MSC or MSC-derived exosome therapies. Our technology can be applied the clinical applications in the future as therapies for acute ischemic/inflammatory diseases.