生化教研室牛勃課題組在Metabolic Brain Disease上發(fā)表文章證實人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體減輕應(yīng)激誘導(dǎo)的海馬功能障礙
2019年11月5日，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室/首都兒科研究所的牛勃課題組在Metabolic Brain Disease上在線發(fā)表了題為“Exosomes from human umbilical cord Mesenchymal stem cellsattenuates stress-induced hippocampal dysfunctions”的研究論文。
間充質(zhì)干細(xì)胞（Meschenymal stem cells， MSCs）是一種具有單克隆能力的多能干細(xì)胞，外泌體是細(xì)胞胞吐作用產(chǎn)生的帶有磷脂雙分子層并包含細(xì)胞所產(chǎn)生的各類代謝產(chǎn)物，細(xì)胞信號分子以及表觀遺傳信息的微小囊泡。而MSCs外泌體中蛋白及多肽的成分及功能尚無明確結(jié)論。本文結(jié)合前期研究積累和國際同行的前沿研究對人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞外體蛋白進(jìn)行了分析，通過檢測人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（Human umbilical cord MSCs, hUC-MSCs）外泌體在生理和病理條件下對海馬神經(jīng)發(fā)生的影響，進(jìn)一步證實了人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體的神經(jīng)保護(hù)和促神經(jīng)發(fā)生作用。
hUC-MSCs免疫原性低，增殖能力強(qiáng)，易于收集，對供體無損傷，無倫理問題的特征使其成為一種強(qiáng)大的再生治療資源。然而，hUC-MSCs治療某些疾病的確切機(jī)制需要充分探索而且hUC-MSCs的胞外體是否能改善神經(jīng)功能也尚不清楚。成人海馬神經(jīng)發(fā)生可由復(fù)合調(diào)控因子調(diào)控，表現(xiàn)為重要的神經(jīng)可塑性，可作為神經(jīng)退行性變和認(rèn)知功能的靶點。因此，本研究對人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞外體蛋白進(jìn)行了分析，以期為進(jìn)一步研究人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的特異活性和生物功能提供指導(dǎo)。
hUC-MSCs的制備及hUC-MSCs來源的外泌體蛋白質(zhì)譜功能分析
代謝功能紊亂是導(dǎo)致衰老及神經(jīng)退行性病變的關(guān)鍵危險因素之一。有報道顯示，脂聯(lián)素是調(diào)控代謝，抑制肥胖及促進(jìn)神經(jīng)再生的關(guān)鍵代謝因子。為了進(jìn)一步探究hUC-MSCs外泌體對代謝功能的調(diào)控水平，作者通過注射hUC-MSCs，利用ELISA法對小鼠外周血及腦組織脂聯(lián)素進(jìn)行了檢測。在外泌體注射七天后，海馬組織脂聯(lián)素水平顯著增高證明了hUC-MSCs外泌體對中樞神經(jīng)系統(tǒng)代謝因子的調(diào)控效應(yīng)，同時也為后續(xù)指導(dǎo)外泌體調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的治療時間提供了依據(jù)。新事物認(rèn)知研究證實外泌體注射對生理狀態(tài)下動物認(rèn)知功能并無影響。
hUC-MSCs外泌體對脂聯(lián)素水平的調(diào)控功能研究
作者根據(jù)前期報道在提取并固定腦組織前1周對動物進(jìn)行的BrdU腹腔注射標(biāo)記使多數(shù)BrdU標(biāo)記的新生細(xì)胞出現(xiàn)神經(jīng)分化特征，標(biāo)記后將動物腦組織取出并固定并進(jìn)行進(jìn)一步免疫熒光染色來檢測hUC-MSCs外泌體對海馬神經(jīng)再生的作用。為了通過進(jìn)一步對BrdU及新生神經(jīng)元生物標(biāo)記物DCX雙陽性細(xì)胞統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，hUC-MSCs外泌體注射能夠顯著提高新生神經(jīng)元水平，推斷hUC-MSCs外泌體是通過調(diào)控神經(jīng)分化從而促進(jìn)海馬神經(jīng)再生。
hUC-MSCs外泌體增加了海馬神經(jīng)分化功能
為了進(jìn)一步確認(rèn)hUC-MSCs外泌體對海馬DG區(qū)神經(jīng)元分化及成熟速度的影響，小鼠在注射外泌體后14天后檢測其BrdU陽性的非成熟神經(jīng)元及成體神經(jīng)元標(biāo)記的細(xì)胞數(shù)。作者為探索hUC-MSCs外泌體對小鼠海馬神經(jīng)分化速度的影響，檢測了BrdU/DCX雙陽性新生非成熟神經(jīng)元及BrdU/NeuN雙陽性成熟神經(jīng)元。研究發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs外泌體促使更多的海馬組織新生細(xì)胞分化形成了成熟神經(jīng)元，繼而增加了海馬DG區(qū)的神經(jīng)再生。
hUC-MSCs外泌體加速了海馬新生神經(jīng)元的成熟分化
為了進(jìn)一步研究hUC-MSCs外泌體對病理狀態(tài)下神經(jīng)功能的恢復(fù)作用，作者采取了鏈脲佐菌素（STZ）以模擬急性狀態(tài)下認(rèn)知功能障礙及腦損傷。STZ作為一種糖尿病造模藥物，因其能夠通過葡萄糖轉(zhuǎn)運體而破壞胰島細(xì)胞功能。在神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)元同樣高表達(dá)葡萄糖轉(zhuǎn)運體，因此通過海馬局部注射STZ可模擬代謝性疾病導(dǎo)致的腦損傷。通過新事物認(rèn)知實驗，以檢測hUC-MSCs外泌體對STZ處理后小鼠認(rèn)知功能的作用。研究發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs外泌體對STZ引起的急性腦功能障礙具有顯著的神經(jīng)保護(hù)作用。
hUC-MSC外泌體對STZ導(dǎo)致的急性腦功能損傷的行為學(xué)保護(hù)作用
本研究中，作者重點關(guān)注了MSCs來源的外泌體的生理學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs外泌體并未促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖而是通過促進(jìn)其向神經(jīng)元轉(zhuǎn)化以增加新生神經(jīng)元數(shù)目，解釋了MSCs外泌體對神經(jīng)分化調(diào)控的具體生物學(xué)路徑，并為進(jìn)一步的海馬功能紊亂相關(guān)的病理模型研究提供了理論依據(jù)。
山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)專業(yè)2018級博士生牛玉虎為論文的第一作者，山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室/首都兒科研究所的牛勃教授為通信作者。首都兒科研究所王秀偉和山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室李美寧以及山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院婦產(chǎn)科幫助了本項研究。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、山西省自然科學(xué)基金項目的資助。
