Human adipose tissue derived mesenchymal stem cells ameliorate experimental autoimmune encephalomyelitis in Lewis rats.

Abstract

The effects of human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (hAdMSCs) were examined on clinical symptoms of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in Lewis rats. EAE was induced in Lewis rats immunized with bovine myelin basic protein (bMBP) and complete Freund's adjuvant supplemented with Mycobacterium tuberculosis H37Ra. Cells were administered to rats on day 7 post immunization (PI) to evaluate the dose-dependent clinical and pathological effects of hAdMSCs in acute EAE. Vehicle-treated control rats received normal saline each time. Administration of hAdMSCs significantly ameliorated the duration of paralysis in EAE rats at days 7 PI once time or 1 and 7 PI twice time treated compared with vehicle-treated control rats (p<0.05). Clinical signs were significantly reduced in hAdMSC-treated EAE rats (n=8) at days 1 and 7 PI compared to EAE control rats (n=7). Treatment with hAdMSCs reduced the encephalitogenic response and decreased infiltration of inflammatory cells in the EAE-affected rats. Relatively few inflammatory cells were identified in the spinal cords of hAdMSC-treated EAE rats. Quantitative real time-polymerase chain reaction (qRT- PCR) analysis revealed that interferon-γ (IFN-γ) expression was significantly increased (p<0.01); tumor necrosis factor-α (TNF-α) and interleukin-17f (IL-17f) mRNA expression was not significantly increased and transforming growth factor-β1 (TGF-β1) expression was similar for each group. Interleukin-10 (IL-10) and Indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) mRNA levels were significantly increased (p<0.05) in the hAdMSC-treated group. Further, hAdMSCs were detected in the spinal cord and the splenic tissue on day 7 after hAdMSC injection. The ameliorative effect of hAdMSCs on clinical paralysis in EAE-affected rats may be mediated, in part, by the suppression of the autoreactive T cell response and the dominance production of anti-inflammatory cytokines such as IL-10 and IDO. Results from the present study suggest mesenchymal stem cells derived from human adipose tissue may provide neuroprotection and immunomodulation in disease such as EAE.

Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE)는 인간의 다발성경화증에 대한 연구에 널리 이용되는 동물실험모델로서, EAE는 blood-brain-barrier (BBB)가 소실되어, 질병의 초기 단계에는 T-cell과 대식세포와 같은 염증세포들이 지주막공간으로 이동하여 침윤되며, 질병의 최고 발현기에는 microglia와 astrocyte들이 활성화되는 특징을 보인다. 질병의 임상적 차이는 생체내 자가 면역반응에 크게 영향을 받으며, 신경세포의 손상을 일으켜 장애를 영구화하는 질환이다. 중간엽 줄기세포는 모든 조직으로 분화능과 면역조절능을 지닌 세포로 자가면역성 신경손상질환의 치료 가능성에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 자가면역성 뇌척수염에 대한 중간엽줄기세포의 면역조절능에 대해 최근 많은 연구결과들이 보고되고 있는데, 뇌척수염을 일으킨 실험동물에 골수유래중간엽줄기세포를 투여시 생체내에서 Th2-polarized response을 유도하여 TGF-β와 IL-6의 분비 양상의 변화로 염증세포와 탈수초반응을 완화시켜서 임상증상이 완화되었으며, 신경보호물질 분비양상의 변화로 신경세포를 보호한다고 보고하고 있다. 지방줄기세포의 EAE에 대한 항염증 효과와 신경보호 작용에 대한 보고로는, 만성 EAE 모델에서의 murin지방유래줄기세포를 마우스에 투여한 결과, 예방 치료에 효능이 있었으며, 투여한 murine 지방유래줄기세포가 병변부위인 척수에 분포됨을 확인하였다. 이상의 연구보고는 만성 뇌척수염질환동물에서의 임상적 완화 및 분포에 대한 보고로써, 중간엽 줄기세포가 생체내에서 자가면역성 신경손상으로부터 신경세포를 보호하는 기전과 비장과 림프기관에서의 면역관련 세포 및 싸이토카인 분비의 조절에 대한 기전, 병변조직에서의 세포의 변화에 대한 보고는 미비하다. 또한, 급성형 자가면역성 뇌척수염에서의 사람지방유래 중간엽줄기세포의 작용에 대한 보고는 없다. 그러므로, 본 연구에서는 급성자가면역성 척수염 동물모델에서 사람지방유래 중간엽 줄기세포의 임상적 효과, 병변조직에서의 염증세포의 침윤양상, 사이토카인의 변화와 정맥내 투여한 사람지방유래 중간엽줄기세포의 척수병변부위 분포여부를 살펴보았다. 사람지방유래 중간엽 줄기세포의 용량의존적 효과는 면역후 7일째 투여시 5×106 cells 이상의 세포를 투여한 군에서 대조군에 비해 마비기간이 유의성있게 단축되었다. 또한 투여시기에 따른 변화에서는 면역 후 1일과 7일째에 5×106 cells을 2회 투여한 군에서 대조군, 면역 후 7일과 10일째에 5×106 cells을 2회 투여한 군 및 면역 후 10일째 1×107 cells을 1회 투여한 군에 비해 마비기간이 유의성 있게 단축되었고, 마비정도도 유의성 있게 완화되었다. 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여한 쥐의 비장에서 분리한 T cell에 항원인 bovine MBP로 자극 후, T cell 증식 배양실험을 한 결과, 대조군에 비해 유의적으로 bMBP-specific T cell의 증식이 억제되었다. 면역 후 14일 즉, 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여한 7일 후, 대조군과 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여한 군과의 림프조직에서의 pro-inflammatory cytokine인 TNF-α과 IL-17f의 발현는 유의적인 차이는 없었으나, IFN-γ의 발현은 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여군에서 유의성있게 대조군에 비해 증가하였다. Anti inflammatory cytokine인 TGF-β1는 대조군과 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여군에 유사한 발현을 보았으며, IL-10 및 indoleamine-2,3 dioxygenase (IDO)의 발현는 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여군에서 대조군에 비해 유의적으로 증가하였다. 척수실질내 염증세포의 침윤정도는 사람지방유래 중간엽 줄기세포를 투여한 군에서 대조군에 비해 완화되었다. 또한, 정맥내 투여한 사람지방유래 중간엽 줄기세포는 척수실질내에서 소수의 세포가 관찰되었고, 비장에서는 척수조직에서 비해 많은 수의 이식한 사람지방유래 중간엽줄기세포가 관찰되었다. 이상의 결과를 종합해보면, 사람지방유래 중간엽 줄기세포는 급성 자가면역성 뇌척수염을 유도한 랫트에서 임상적 완화효과를 보이며, 이는 염증매개세포인 T cell의 증식억제 및 척수조직 실질에 염증세포의 침윤억제에 의한 것으로, anti-inflammatory cytokine 인 IL-10 과 indoleamine-2,3 dioxygenase의 발현의 증가로 인한 것으로 사료된다. 이는 급성 자가면역성 뇌척수염과 같은 질병에 대해 사람지방유래 중간엽 줄기세포가 세포치료제로서 역할을 할 수 있다고 사료된다.