具有功能性免疫调节作用的MSC来源细胞外囊泡的综合分子谱

Comprehensive Molecular Profiles of Functionally Effective MSC-Derived Extracellular Vesicles in Immunomodulation

作者信息Hyemee Kim, Min Joung Lee, Eun-Hye Bae, Jin Suk Ryu, Gagandeep Kaur, Hyeon Ji Kim, Jun Yeob Kim, Heather Barreda, Sung Youn Jung, Jong Min Choi, Taeko Shigemoto-Kuroda, Joo Youn Oh, Ryang Hwa Lee
PMID32380062
期刊Mol Ther
发布时间2020-07-08
DOI10.1016/j.ymthe.2020.04.020

实验完整度

高

包括体外脾细胞激活模型、两种小鼠模型(LPS刺激模型和眼部干燥综合征模型)、蛋白质组学和miRNA测序,以及通过siRNA/质粒转染进行的功能验证和机制研究(Western blot)。

主要模型

小鼠脾细胞(TCR或TLR4刺激) NOD.B10.H2b小鼠(眼部干燥综合征模型) LPS刺激的BALB/c小鼠 人间充质干细胞(MSC,供体#6015, #7012, #7075)

重点核对

MSC传代(PD15 vs PD40) MSC培养体系(2D vs 3D) EV纯化方法(SEC 或 超速离心) MSC的细胞密度 TGF-β1, PTX3, let-7b-5p, miR-21-5p在EV中的水平

摘要

越来越多的证据表明,间充质干/基质细胞来源的细胞外囊泡(MSC-EVs)通过递送治疗性RNA和蛋白质发挥免疫调节作用;然而,EV介导的免疫调节的分子机制尚未完全阐明。在本研究中,我们发现,在T细胞受体(TCR)或Toll样受体4(TLR4)刺激的脾细胞中以及在小鼠眼部干燥综合征模型中,早期传代MSC来源的EV比晚期传代MSC来源的EV具有更好的免疫调节效力。此外,从3D培养的细胞产生的MSC-EVs比从常规2D培养产生的MSC-EVs更有效。使用蛋白质组学和microRNA测序的比较分子谱分析揭示了在免疫调节中功能有效的MSC-EVs中的富集因子。其中,在MSCs中操纵转化生长因子β1(TGF-β1)、正五聚蛋白3(PTX3)、let-7b-5p或miR-21-5p的水平显著影响了其EV的免疫抑制作用。此外,MSC-EVs中TGF-β1、PTX3、let-7b-5p或miR-21-5p的表达水平与其抑制功能之间存在很强的相关性。因此,我们的比较策略确定了TGF-β1、PTX3、let-7b-5p或miR-21-5p是介导MSC-EVs在自身免疫性疾病中治疗效果的关键分子。这些发现将有助于理解EV介导的免疫调节的分子机制,并为开发稳健的基于EV的疗法提供EV的功能性生物标志物。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
MSC-EVs介导免疫调节的分子机制是什么?哪些分子决定了MSC-EVs的功能有效性?
核心机制
MSC-EVs通过抑制TCR和TLR4下游信号通路(如LAT磷酸化、NF-κB、NFAT1、p38核转位)来发挥免疫抑制作用,其中TGF-β1、PTX3、let-7b-5p和miR-21-5p是关键效应分子。
主要证据
早期传代和3D培养MSC-EVs在体外和体内动物模型中表现出更强的免疫抑制功能;蛋白质组学和miRNA测序鉴定出关键分子;通过siRNA敲低和质粒过表达验证了这些分子的功能。
研究意义
本研究为MSC-EVs治疗自身免疫性疾病提供了临床前数据,并为基于EV的疗法设计提供了关键分子作为功能性生物标志物,有助于开发稳健的EV-based疗法。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

EV分离与表征

从MSC条件培养基中分离并纯化EVs,并验证其特性。

使用尺寸排阻色谱(SEC)或超速离心法从MSC条件培养基中分离EVs,通过CD63 ELISA、Bradford assay、纳米颗粒追踪分析(NTA)和扫描电镜(SEM)表征EVs的大小、浓度和标志物表达。

2

体外免疫调节活性比较

比较不同来源EVs对TCR或TLR4刺激的小鼠脾细胞免疫反应的抑制作用。

将MSC-EVs与抗CD3或抗CD3/CD28刺激的脾细胞(TCR激活)或LPS刺激的脾细胞(TLR4激活)共培养,通过ELISA检测上清液中细胞因子(如IL-2, IFN-γ, IL-6, IL-17等)的水平。

3

体内免疫调节效果评估

在动物模型中验证MSC-EVs的免疫调节和治疗效果。

在LPS诱导的全身炎症小鼠模型中静脉注射EVs,检测脾脏和血清细胞因子水平。在眼部干燥综合征(NOD.B10.H2b)小鼠模型中,将EVs注射入泪腺,评估角膜上皮缺损、泪液分泌、杯状细胞数量及T细胞浸润等指标。

4

分子谱分析

鉴定功能有效的MSC-EVs中富集的蛋白质和miRNA。

对来自早期和晚期传代MSCs以及2D和3D培养MSCs的EVs进行蛋白质组学(质谱)和miRNA测序,比较分子表达谱,并通过PANTHER和KEGG等数据库进行功能分类和通路分析。

5

关键效应分子的功能验证

验证TGF-β1、PTX3、let-7b-5p和miR-21-5p在MSC-EVs免疫抑制功能中的作用。

通过siRNA敲低或DNA质粒过表达MSCs中的这些分子,获得相应EVs,检测其免疫抑制功能的变化,包括体外细胞因子抑制和体内眼部干燥综合征模型的治疗效果。

6

机制研究

阐明MSC-EVs抑制TCR和TLR4信号的分子机制。

通过Western blot检测MSC-EVs处理后的脾细胞中TCR和TLR4信号通路关键蛋白的磷酸化或核转位情况。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Synthemax II微载体Corning Life Sciences3781
CellStack细胞培养室Corning Life Sciences--
CD-CHO培养基Invitrogen--
胎牛血清----
Vivaspin离心管(10 kDa截留分子量)GE Healthcare--
maxiPURE-EVs色谱柱HansaBioMed--
Sorvall WX立式超速离心机Thermo Fisher Scientific--
NanoSight LM 10纳米颗粒追踪分析系统Malvern--
Tescan Vega扫描电子显微镜Tescan--
抗CD63抗体 (克隆号 H5C6)Becton Dickinson--
重组人CD63蛋白RayBiotech--
小鼠IFN-γ, IL-2, IL-6, TNF-α, Th17A/F ELISA试剂盒R&D Systems--
EDIL3, GAL3, LUM, PTX3, TGF-β1, TGF-β2, TGFβI ELISA试剂盒R&D Systems--
TSG-6 ELISA试剂盒RayBiotech--
BGN ELISA试剂盒Invitrogen--
抗CD81抗体 (1.3.3.22)Invitrogen--
抗CD9 (D8O1A)、抗NFAT1、抗NF-κB p65、抗p38、抗p-LAT、抗LAT、抗TBP抗体Cell Signaling Technology--
抗β-actin抗体Invitrogen--
抗CD3抗体Corning Life Sciences--
抗CD3/CD28磁珠Thermo Fisher Scientific--
脂多糖Sigma--
RNeasy小型RNA提取试剂盒QIAGEN--
EZNA总RNA提取试剂盒Omega Bio-tek--
TaqMan基因表达检测Applied Biosystems--
TaqMan miRNA反转录试剂盒Applied Biosystems--
针对对照、TGF-β1、TGFβI、PTX3、LUM的siRNASanta Cruz--
针对对照、let-7b-5p、miR-21-5p的miRNA抑制剂Invitrogen--
针对对照、TGF-β1、PTX3的DNA质粒OriGene--
脂质体转染试剂Invitrogen--
33G注射器Hamilton--
手术显微镜Carl Zeiss--
丽丝胺绿活体染料Sigma--
酚红棉线泪液测试FCI Ophthalmics--
抗CD3抗体 (ab5690)Abcam--
GraphPad Prism软件GraphPad--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
MSC培养与EV制备
MSC来源、传代数(PD15 vs PD40)、培养体系(2D vs 3D)、细胞密度、培养基(CD-CHO)、培养时间、EV分离方法(SEC或超速离心)
阅读提示:Materials and Methods, 'MSC 2D and 3D Cultures', 'Isolation of MSC-EVs and Characterization'
体外脾细胞功能实验
脾细胞来源、细胞数量、刺激方式(抗CD3或抗CD3/CD28 beads或LPS)、刺激时间、EV浓度、检测的细胞因子
阅读提示:Materials and Methods, 'Mouse Splenocyte Stimulation', Figure 2-8 legends
动物模型验证
小鼠品系、周龄、性别、EV注射途径(静脉注射或泪腺注射)、EV剂量、LPS剂量、检测时间点、检测指标(角膜染色、泪液分泌、细胞因子、组织学等)
阅读提示:Materials and Methods, 'Mouse Model of Primary Sjögren's Syndrome', 'LPS-Stimulated Mouse Model', Figure 1,3,5,6 legends
关键分子检测与操作
TGF-β1, PTX3, let-7b-5p, miR-21-5p的检测方法、siRNA/miRNA inhibitor/质粒的浓度、转染试剂、转染时间、敲低/过表达效率验证
阅读提示:Materials and Methods, 'Cell Transfection', 'Real-Time PCR Analysis of mRNA and miRNAs and miRNA Profiling', Figure 5,6,7,8 legends