DOI : https://doi.org/10.1186/s13287-020-01781-w 원문
Abstract
Background : This study aimed to investigate the effect of bone marrow mesenchymal stem cell (BMSC)-derived exosome injection on cartilage damage and pain relief in both in vitro and in vivo models of osteoarthritis (OA).
Methods : The BMSCs were extracted from rat bone marrow of the femur and tibia. Chondrocytes were treated with IL-1β to establish the in vitro model of OA. Chondrocyte proliferation and migration were assessed by CCK-8 and transwell assay, respectively. A rat model of OA was established by injection of sodium iodoacetate. At 6 weeks after the model was established, the knee joint specimens and dorsal root ganglion (DRG) of rats were collected for histologic analyses. For pain assessment, paw withdrawal threshold (PWT) and paw withdrawal latency (PWL) were evaluated before model establishment and at 1, 2, 4, and 6 weeks after model establishment.
Results : Exosomes can be endocytosed with the chondrocytes in vitro. Exosome treatment significantly attenuated the inhibitory effect of IL-1β on the proliferation and migration of chondrocytes. Exosome pre-treatment significantly attenuated IL-1β-induced downregulation of COL2A1 and ACAN and upregulation of MMP13 and ADAMTS5. In the animal study, exosome treatment significantly upregulated COL2A1 protein and downregulated MMP13 protein in the cartilage tissue of the OA rat. At weeks 2, 4, and 6, the PWL value was significantly improved in the exosome-treated OA rats as compared with the untreated OA animals. Moreover, exosome treatment significantly alleviated the upregulation of CGRP and iNOS in the DRG tissue of OA rats.
Conclusion : BMSC-derived exosomes can effectively promote cartilage repair and extracellular matrix synthesis, as well as alleviate knee pain in the OA rats.
배경 : 본 연구는 골수 중간엽 줄기세포(BMSC) 유래 엑소좀 주사가 골관절염(OA)의 시험관 내 및 생체 내 모델 모두에서 연골 손상 및 통증 완화에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 했습니다.
방법 : BMSC는 대퇴골과 경골의 쥐 골수에서 추출되었습니다. 연골세포를 IL-1β로 처리하여 OA의 시험관 내 모델을 확립했습니다. 연골세포 증식 및 이동은 각각 CCK-8 및 transwell 분석으로 평가되었습니다. OA의 쥐 모델은 요오도아세테이트나트륨 주사에 의해 확립되었습니다. 모델 구축 후 6주에 조직학적 분석을 위해 쥐의 무릎 관절 표본과 후근 신경절(DRG)을 수집했습니다. 통증 평가를 위해 모델 수립 전과 모델 수립 후 1주, 2주, 4주 및 6주에 발 수퇴 역치(PWT)와 발 수출 잠복기(PWL)를 평가했습니다.
결과 : 엑소좀은 시험관 내에서 연골 세포와 함께 endocytosis 될 수 있습니다. 엑소좀 처리는 연골세포의 증식 및 이동에 대한 IL-1β의 억제 효과를 유의하게 약화시켰습니다. 엑소좀 전처리는 IL-1β 유도 COL2A1 및 ACAN의 하향 조절과 MMP13 및 ADAMTS5의 상향 조절을 유의하게 약화시켰습니다. 동물 연구에서 엑소좀 처리는 OA 쥐의 연골 조직에서 COL2A1 단백질을 유의하게 상향 조절하고 MMP13 단백질을 하향 조절했습니다. 2주, 4주 및 6주에 PWL 값은 처리되지 않은 OA 동물과 비교하여 엑소좀 처리된 OA 쥐에서 유의하게 개선되었습니다. 또한, 엑소좀 치료는 OA 쥐의 DRG 조직에서 CGRP 및 iNOS의 상향 조절을 유의하게 완화했습니다.
결론 : BMSC 유래 엑소좀은 연골 복구 및 세포외 기질 합성을 효과적으로 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 OA 쥐의 무릎 통증을 완화할 수 있습니다.
Summary
이 연구는 쥐의 골수 중간엽 줄기세포(BMSC)에서 유래한 엑소좀이 OA의 in vitro 및 in vivo 모델 모두에서 연골 손상을 보호하고 통증을 완화하는 효과가 있는지 조사했습니다.
- In vitro 결과: BMSC 유래 엑소좀은 연골세포에 의해 흡수되었으며, IL-1β로 인한 연골세포의 증식 및 이동 능력 저하를 유의미하게 완화시켰습니다. 또한, 엑소좀은 IL-1β가 유도하는 연골 기질 분해 효소(MMP13, ADAMTS5)의 발현을 억제하고, 주요 연골 구성 성분(COL2A1, ACAN)의 발현 감소를 막았습니다.
- In vivo 결과: 골관절염이 유발된 쥐 모델의 무릎 관절에 엑소좀을 주입한 결과, 엑소좀 치료군에서 연골 조직의 제2형 콜라겐(COL2A1) 단백질 발현이 증가하고 분해 효소(MMP13) 발현은 감소했습니다. 또한, 통증 행동 평가(PWL)에서 엑소좀 치료군이 2, 4, 6주차에 걸쳐 대조군(OA group) 대비 유의미한 통증 완화 효과를 보였습니다. 엑소좀 치료는 척수후근신경절 조직에서 통증 및 염증과 관련된 지표(CGRP, iNOS)의 상승을 억제했습니다.
결론적으로, BMSC 유래 엑소좀은 골관절염 쥐 모델에서 연골 복구와 세포외 기질 합성을 효과적으로 촉진하며, 동시에 무릎 통증을 완화하는 것으로 나타났습니다.
* 줄기세포 치료의 대안 : 엑소좀
전통적인 재생의학은 줄기세포 자체를 손상 부위에 이식하여 조직을 재생하는 데 중점을 두었습니다. 하지만 이 연구는 줄기세포의 치료 효과가 세포 자체보다는 세포가 분비하는 물질, 즉 '주변분비 효과(paracrine effect)'에 기인할 수 있음을 보여줍니다. 특히 엑소좀은 이러한 효과의 핵심 매개체로 주목받습니다.
논문에서 언급된 바와 같이, 엑소좀은 세포 치료와 비교할 때 면역원성이나 종양원성이 없고 보관 및 운송이 용이하다는 결정적인 이점을 가집니다. 이는 살아있는 세포를 사용할 때 발생하는 면역 거부 반응, 종양 형성 위험, 복잡한 유통 및 보관 문제를 해결할 수 있어, '기성품(off-the-shelf)' 형태의 치료제 개발 가능성을 높입니다.
재생의학의 궁극적인 목표는 조직의 구조적 복원뿐만 아니라 기능적 회복입니다. 골관절염 환자에게 가장 시급한 문제는 '통증'입니다. 이 연구는 엑소좀이 연골 재생 효과와 더불어 뛰어난 통증 완화 효과를 보인다는 점을 입증했습니다. 특히 엑소좀이 척수후근신경절에서 염증성 통증(iNOS)과 신경병증성 통증(CGRP) 지표를 모두 감소시켰다는 결과는, 엑소좀이 골관절염의 복합적인 통증 발생 경로에 개입하여 증상을 효과적으로 조절할 수 있음을 시사합니다.
이 연구는 BMSC 유래 엑소좀이 골관절염의 근본적인 원인인 연골 손상을 복구하고 세포외 기질 합성을 촉진할 뿐만 아니라, 환자의 삶의 질을 저하하는 핵심 증상인 통증까지 완화할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 엑소좀을 기반으로 한 재생의학 치료제가 골관절염에 대한 효과적인 치료 전략이 될 수 있음을 시사합니다.
DOI : https://doi.org/10.1186/s13287-020-01781-w 원문
Abstract
Background : This study aimed to investigate the effect of bone marrow mesenchymal stem cell (BMSC)-derived exosome injection on cartilage damage and pain relief in both in vitro and in vivo models of osteoarthritis (OA).
Methods : The BMSCs were extracted from rat bone marrow of the femur and tibia. Chondrocytes were treated with IL-1β to establish the in vitro model of OA. Chondrocyte proliferation and migration were assessed by CCK-8 and transwell assay, respectively. A rat model of OA was established by injection of sodium iodoacetate. At 6 weeks after the model was established, the knee joint specimens and dorsal root ganglion (DRG) of rats were collected for histologic analyses. For pain assessment, paw withdrawal threshold (PWT) and paw withdrawal latency (PWL) were evaluated before model establishment and at 1, 2, 4, and 6 weeks after model establishment.
Results : Exosomes can be endocytosed with the chondrocytes in vitro. Exosome treatment significantly attenuated the inhibitory effect of IL-1β on the proliferation and migration of chondrocytes. Exosome pre-treatment significantly attenuated IL-1β-induced downregulation of COL2A1 and ACAN and upregulation of MMP13 and ADAMTS5. In the animal study, exosome treatment significantly upregulated COL2A1 protein and downregulated MMP13 protein in the cartilage tissue of the OA rat. At weeks 2, 4, and 6, the PWL value was significantly improved in the exosome-treated OA rats as compared with the untreated OA animals. Moreover, exosome treatment significantly alleviated the upregulation of CGRP and iNOS in the DRG tissue of OA rats.
Conclusion : BMSC-derived exosomes can effectively promote cartilage repair and extracellular matrix synthesis, as well as alleviate knee pain in the OA rats.
배경 : 본 연구는 골수 중간엽 줄기세포(BMSC) 유래 엑소좀 주사가 골관절염(OA)의 시험관 내 및 생체 내 모델 모두에서 연골 손상 및 통증 완화에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 했습니다.
방법 : BMSC는 대퇴골과 경골의 쥐 골수에서 추출되었습니다. 연골세포를 IL-1β로 처리하여 OA의 시험관 내 모델을 확립했습니다. 연골세포 증식 및 이동은 각각 CCK-8 및 transwell 분석으로 평가되었습니다. OA의 쥐 모델은 요오도아세테이트나트륨 주사에 의해 확립되었습니다. 모델 구축 후 6주에 조직학적 분석을 위해 쥐의 무릎 관절 표본과 후근 신경절(DRG)을 수집했습니다. 통증 평가를 위해 모델 수립 전과 모델 수립 후 1주, 2주, 4주 및 6주에 발 수퇴 역치(PWT)와 발 수출 잠복기(PWL)를 평가했습니다.
결과 : 엑소좀은 시험관 내에서 연골 세포와 함께 endocytosis 될 수 있습니다. 엑소좀 처리는 연골세포의 증식 및 이동에 대한 IL-1β의 억제 효과를 유의하게 약화시켰습니다. 엑소좀 전처리는 IL-1β 유도 COL2A1 및 ACAN의 하향 조절과 MMP13 및 ADAMTS5의 상향 조절을 유의하게 약화시켰습니다. 동물 연구에서 엑소좀 처리는 OA 쥐의 연골 조직에서 COL2A1 단백질을 유의하게 상향 조절하고 MMP13 단백질을 하향 조절했습니다. 2주, 4주 및 6주에 PWL 값은 처리되지 않은 OA 동물과 비교하여 엑소좀 처리된 OA 쥐에서 유의하게 개선되었습니다. 또한, 엑소좀 치료는 OA 쥐의 DRG 조직에서 CGRP 및 iNOS의 상향 조절을 유의하게 완화했습니다.
결론 : BMSC 유래 엑소좀은 연골 복구 및 세포외 기질 합성을 효과적으로 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 OA 쥐의 무릎 통증을 완화할 수 있습니다.
Summary
이 연구는 쥐의 골수 중간엽 줄기세포(BMSC)에서 유래한 엑소좀이 OA의 in vitro 및 in vivo 모델 모두에서 연골 손상을 보호하고 통증을 완화하는 효과가 있는지 조사했습니다.
결론적으로, BMSC 유래 엑소좀은 골관절염 쥐 모델에서 연골 복구와 세포외 기질 합성을 효과적으로 촉진하며, 동시에 무릎 통증을 완화하는 것으로 나타났습니다.
* 줄기세포 치료의 대안 : 엑소좀
전통적인 재생의학은 줄기세포 자체를 손상 부위에 이식하여 조직을 재생하는 데 중점을 두었습니다. 하지만 이 연구는 줄기세포의 치료 효과가 세포 자체보다는 세포가 분비하는 물질, 즉 '주변분비 효과(paracrine effect)'에 기인할 수 있음을 보여줍니다. 특히 엑소좀은 이러한 효과의 핵심 매개체로 주목받습니다.
논문에서 언급된 바와 같이, 엑소좀은 세포 치료와 비교할 때 면역원성이나 종양원성이 없고 보관 및 운송이 용이하다는 결정적인 이점을 가집니다. 이는 살아있는 세포를 사용할 때 발생하는 면역 거부 반응, 종양 형성 위험, 복잡한 유통 및 보관 문제를 해결할 수 있어, '기성품(off-the-shelf)' 형태의 치료제 개발 가능성을 높입니다.
재생의학의 궁극적인 목표는 조직의 구조적 복원뿐만 아니라 기능적 회복입니다. 골관절염 환자에게 가장 시급한 문제는 '통증'입니다. 이 연구는 엑소좀이 연골 재생 효과와 더불어 뛰어난 통증 완화 효과를 보인다는 점을 입증했습니다. 특히 엑소좀이 척수후근신경절에서 염증성 통증(iNOS)과 신경병증성 통증(CGRP) 지표를 모두 감소시켰다는 결과는, 엑소좀이 골관절염의 복합적인 통증 발생 경로에 개입하여 증상을 효과적으로 조절할 수 있음을 시사합니다.
이 연구는 BMSC 유래 엑소좀이 골관절염의 근본적인 원인인 연골 손상을 복구하고 세포외 기질 합성을 촉진할 뿐만 아니라, 환자의 삶의 질을 저하하는 핵심 증상인 통증까지 완화할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 엑소좀을 기반으로 한 재생의학 치료제가 골관절염에 대한 효과적인 치료 전략이 될 수 있음을 시사합니다.