脐带间充质干细胞来源的凋亡细胞外囊泡通过抑制巨噬细胞焦亡改善2型糖尿病小鼠皮肤创面愈合

Umbilical cord mesenchymal stem cell-derived apoptotic extracellular vesicles ameliorate cutaneous wound healing in type 2 diabetic mice via macrophage pyroptosis inhibition.

作者信息Yiming Wang, Lin Jing, Xiao Lei, Zhen Ma, Bei Li, Yuanyuan Shi, Wuyang Zhang, Yuan Li, Hongzhi Zhou, Kaijin Hu, Yang Xue, Yan Jin
PMID37726853
发布时间2023-09-19
DOI10.1186/s13287-023-03490-6

实验完整度

包含体外细胞实验(BMDM高糖培养、LPS/ATP诱导焦亡)、体内动物模型(db/db小鼠创面模型)、功能验证(吞噬阻断实验)及机制探究(氧化应激检测)。

主要模型

db/db小鼠皮肤创面模型 db/m小鼠健康对照 骨髓来源巨噬细胞(BMDM) 脐带间充质干细胞(UCMSC)

重点核对

ApoEVs给药剂量:50 μg(含于100 μL PF-127凝胶中),于术后第0天和第3天局部应用 db/db小鼠:8周龄雄性,随机分为db/db组和db/db+ApoEV组,每组7只 体外BMDM培养:使用高糖(25 mM)DMEM,以50 ng/mL M-CSF诱导7天 焦亡诱导:1 μg/mL LPS刺激12小时,随后4 mM ATP处理30分钟 ApoEVs干预浓度:5、10、20 μg/mL,处理6小时

摘要

背景:2型糖尿病(T2DM)皮肤创面延迟愈合是T2DM最常见的并发症之一,给患者带来巨大痛苦。在糖尿病患者中,巨噬细胞在皮肤创口周围聚集并产生NLRP3(含NOD、LRR和pyrin结构域蛋白3)炎症小体,进而发生焦亡并产生白细胞介素-1β等炎症因子,影响创面愈合。尽管我们先前的研究表明,间充质干细胞(MSCs)产生的凋亡细胞外囊泡(ApoEVs)可改善正常C57BL/6小鼠的皮肤创面愈合,但ApoEVs是否也能改善糖尿病创面愈合仍不清楚。方法:体外培养脐带间充质干细胞(UCMSCs)并诱导凋亡。提取并鉴定ApoEVs,用于T2DM小鼠皮肤创面模型以评估疗效。在体内和体外验证ApoEVs对巨噬细胞焦亡的抑制作用,并评估巨噬细胞氧化应激水平以探索ApoEVs发挥作用的机制。结果:UCMSC来源的ApoEVs改善了T2DM小鼠的皮肤缺损愈合。此外,UCMSC来源的ApoEVs在体内和体外高糖培养条件下均抑制了T2DM小鼠巨噬细胞的焦亡。此外,我们证明ApoEVs降低氧化应激水平,这可能是其抑制巨噬细胞焦亡的机制。结论:我们的研究证实,局部应用UCMSC来源的ApoEVs改善了T2DM小鼠的皮肤创面愈合。ApoEVs作为MSC凋亡的产物,可通过降低氧化应激水平来抑制巨噬细胞焦亡并调节死亡过程。

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
脐带间充质干细胞来源的凋亡细胞外囊泡(ApoEVs)是否能通过抑制巨噬细胞焦亡改善2型糖尿病小鼠的皮肤创面愈合?
核心机制
UCMSC来源的ApoEVs被巨噬细胞吞噬后,通过降低巨噬细胞氧化应激水平,抑制NLRP3炎症小体组装,进而抑制caspase-1介导的焦亡,减少IL-1β和IL-18等炎症因子释放。
主要证据
db/db小鼠创面模型中局部应用ApoEVs显著提高愈合率,减少炎症细胞浸润,改善组织学结构;体外高糖培养BMDM中ApoEVs剂量依赖性抑制LPS/ATP诱导的NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD-N表达及LDH释放;氧化应激指标(ROS、MDA水平降低,CAT、GSH、SOD水平升高)得到改善;吞噬阻断实验证实ApoEVs功能依赖巨噬细胞吞噬。
研究意义
该研究为T2DM延迟创面愈合提供了一种安全有效的局部治疗策略,并首次证明ApoEVs可抑制巨噬细胞焦亡,为不同细胞类型间死亡形式的相互调节提供了新的理论依据。

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

ApoEVs的分离与鉴定

获取并验证UCMSC来源的ApoEVs,确保其具备凋亡囊泡的特征。

用0.5 μM星形孢菌素(STS)处理UCMSCs 10小时诱导凋亡,收集上清,通过差速离心(1000×g 10分钟,16,000×g 30分钟)提取ApoEVs,并用PBS洗涤。通过SEM观察形态,DLS测定粒径和zeta电位,流式检测Annexin V-PI表达,Western blot检测caspase-3和cleaved caspase-3,免疫荧光检测Annexin V和C1q。

2

建立T2DM小鼠皮肤创面模型并评估ApoEVs疗效

在体内验证ApoEVs对db/db小鼠皮肤创面愈合的影响。

对8周龄雄性db/db和db/m小鼠建立背部全层皮肤创面(直径1 cm),db/db小鼠随机分为两组(db/db和db/db+ApoEV),db/m作为健康对照。将ApoEVs(50 μg)包埋于30% PF-127凝胶中局部涂抹创面,空白凝胶用于对照组,术后第0和3天给药,第14天处死取材。测量创面面积、愈合率、体重和血糖;通过H&E和Masson染色评估组织学变化。

3

检测体内巨噬细胞焦亡

验证ApoEVs在体内是否抑制创面巨噬细胞焦亡。

术后第3天取材创面组织,ELISA检测IL-1β和IL-18水平;Western blot检测NLRP3、caspase-1、cleaved caspase-1、GSDMD、cleaved GSDMD蛋白;免疫荧光检测F4/80与NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD的共定位。

4

体外验证ApoEVs抑制巨噬细胞焦亡

在体外高糖环境下验证ApoEVs对LPS/ATP诱导的巨噬细胞焦亡的抑制作用。

从C57BL/6小鼠骨髓分离BMDM,高糖DMEM培养并用M-CSF诱导成熟。成熟BMDM用1 μg/mL LPS刺激12小时,随后加入不同浓度ApoEVs(5、10、20 μg/mL)处理6小时,再以4 mM ATP处理30分钟诱导焦亡。通过SEM观察形态,检测LDH释放、ELISA检测IL-1β和IL-18,Western blot检测焦亡相关蛋白,免疫荧光检测共定位。

5

吞噬阻断实验验证ApoEVs作用方式

确认ApoEVs通过被巨噬细胞吞噬发挥作用,而非膜接触等途径。

体外实验:BMDM经LPS刺激后用0.25 mM甲基棕榈酸酯(MP)处理24小时以阻断吞噬,随后加入ApoEVs,最后用ATP诱导焦亡;通过免疫荧光验证吞噬抑制,Western blot和ELISA检测焦亡相关蛋白和炎症因子。体内实验:在造模前1小时静脉注射MP(300 mg/kg),其余步骤同前,术后第3天取材进行免疫荧光分析。

6

评估氧化应激水平

探究ApoEVs对巨噬细胞氧化应激状态的影响,以解释其抑制焦亡的机制。

体内:术后第3天分离创面组织细胞,流式检测F4/80和ROS荧光;组织匀浆检测CAT、GSH、SOD、MDA水平。体外:LPS/ATP诱导焦亡后,流式检测ROS,同样检测氧化应激指标。

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
α-MEM培养基Gibco--
胎牛血清Gibco--
L-谷氨酰胺Invitrogen--
青霉素Invitrogen--
链霉素Invitrogen--
DMEM培养基Gibco--
重组小鼠巨噬细胞集落刺激因子R&D--
脂多糖Sigma-Aldrich--
三磷酸腺苷----
星形孢菌素Cell Signaling Technology--
BCA蛋白定量试剂盒Tiangen--
Annexin V-FITC凋亡检测试剂盒7Sea Biotech--
Zetasizer Nano ZSE粒度仪Malvern--
PKH26----
PKH67----
F4/80抗体Abcamab6640
C1q抗体Abcamab11861
GAPDH抗体CWBioCW0100
Caspase-3抗体CST9662s
Cleaved caspase-3抗体CST9961s
PE标记的抗CD34抗体Biolegend343506
抗CD45抗体Biolegend304058
抗CD105抗体Biolegend800504
抗CD90抗体eBioscience12-0909-41
APC标记的抗CD14抗体eBioscience17-0141-81
抗CD19抗体Biolegend302212
FITC标记的抗CD73抗体Biolegend344015
抗HLA-DR抗体Biolegend307603
APC标记的抗F4/80抗体Biolegend123116
抗CD11b抗体Biolegend101206
流式细胞仪Beckman Coulter--
泊洛沙姆407Sigma-Aldrich--
3M手术敷料3M--
马松染色试剂盒Baso Technology--
Pannoramic MIDI扫描仪3DHISTECH--
OCT包埋剂Lecca--
Triton X-100Sigma-Aldrich--
牛血清白蛋白Sigma-Aldrich--
荧光二抗Sigma-Aldrich--
DAPISigma-Aldrich--
NLRP3抗体Abcamab270449
Cleaved caspase-1抗体CST89332s
GSDMD抗体Abcamab209845
小鼠IL-1β ELISA试剂盒Neobioscience--
小鼠IL-18 ELISA试剂盒Neobioscience--
RIPA裂解液Beyotime--
蛋白酶抑制剂Beyotime--
PVDF膜Milipoll--
辣根过氧化物酶标记二抗CWBio--
β-actin抗体CWBioCW0096
Caspase-1抗体Abcamab138483
成像系统Tanon--
LDH细胞毒性检测试剂盒Nanjing JianchengA020-2
I型胶原酶----
ROS-FITC荧光染料Yeasen50101ES01
过氧化氢酶检测试剂盒abbkineKTB1040
还原型谷胱甘肽检测试剂盒abbkineKTB1600
微量脂质过氧化丙二醛检测试剂盒abbkineKTB1050
微量超氧化物歧化酶检测试剂盒abbkineKTB1030
棕榈酸甲酯TopscienceT2S0157
GraphPad Prism 9.0GraphPad Software--

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
动物模型建立
小鼠品系、性别、年龄、样本量;创面直径、深度、位置;麻醉方式与剂量
阅读提示:Methods: Establishment of a cutaneous wound healing model in T2DM mice
ApoEVs制备与给药
UCMSC代数、STS浓度和处理时间;离心转速和时间;ApoEVs定量方法;给药剂量、载体凝胶浓度和体积、给药时间点
阅读提示:Methods: Isolation and characterization of ApoEVs; Establishment of a cutaneous wound healing model
体外巨噬细胞培养与焦亡诱导
BMDM分离方法、培养条件和分化时间;LPS浓度和刺激时间;ATP浓度和处理时间;ApoEVs浓度和处理时间
阅读提示:Methods: Cell culture
吞噬阻断实验
MP浓度和处理时间(体外);MP给药途径和剂量(体内);给药与ApoEVs的时间顺序
阅读提示:Methods: Phagocytosis blocking
氧化应激与焦亡检测
取材时间点、组织处理方式;检测指标(ROS、CAT、GSH、SOD、MDA);所用试剂盒货号
阅读提示:Methods: ROS detection; Detection of enzymes and products related to oxidative stress
统计分析
样本量、重复数、统计方法(t检验、ANOVA)、多重比较校正方法、显著性水平
阅读提示:Methods: Statistical analysis