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苏州大学:干细胞衍生的外泌体通过释放环状RNA抑制细胞焦亡并修复肌肉缺血性损伤

骨骼肌缺血性损伤是一个严重的临床问题,目前尚无有效的治疗方法。近日,来自苏州大学医学部心血管病研究所李杨欣教授的团队在Theranostics杂志上发表文章,确定了人脐带间充质干细胞衍生的外泌体(UMSC-Exo)可以通过释放环状RNA circHIPK3来修复缺血性损伤,并证明了circHIPK3 /miR-421 / FOXO3a信号通路在肌肉缺血性损伤中的作用机制。

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急性下肢缺血(Acute lower limb ischemia)是由外周动脉疾病、糖尿病和肢体手术引起的严重疾病,但损伤的分子机制仍不清楚。细胞凋亡是炎症性攻击导致的程序性细胞死亡。与凋亡不同,细胞焦亡(pyroptosis)是依赖caspase-1的过程,可导致细胞快速裂解并释放炎性成分。缺血性损伤引起的炎性刺激(例如细胞碎片)可以激活炎性体NLRP3。激活后,NLRP3通过释放包括IL-18和IL-1β在内的炎性细胞因子来引发细胞焦亡。但是,尚未探索这种新的信号通路在肢体缺血引起的损伤中的作用。

环状RNA是一类新型的非编码RNA,形成了单链和闭环结构。研究人员从正常和下肢缺血组织获得的新circRNA / mRNA测序数据表明,circHIPK3是肌肉中最丰富的circRNA之一,并且在缺血条件下其表达急剧下降。众所周知,circHIPK3调节细胞生长。circRNA / mRNA测序数据还揭示了基因表达的变化,该变化与缺血性肌肉中炎性体级联反应的激活相一致。生物信息学分析表明miR-421 / FOXO3a是circHIPK3下游的潜在信号通路。FOXO3a是叉形头转录因子的O亚型,可通过调节炎症反应来抑制细胞焦亡。然而,circHIPK3 / miR-421 / FOXO3a在下肢缺血性损伤中的作用仍不确定。

外泌体是包含非编码RNA(例如miRNA和circRNA)的微囊泡,并由许多不同类型的细胞分泌。研究人员已经证明,干细胞来源的外泌体可以用作载体来递送miRNA来修复缺血性组织。但是,尚不清楚源自人脐带间充质干细胞(UMSC-Exo)的外泌体是否可以递送circHIPK3来修复下肢缺血性损伤。

为了建立下肢缺血模型,研究人员通过外科手术结扎了C57BL / 6小鼠的左股动脉。然后使用来自缺血和对照肌肉的总RNA进行circRNA-seq分析,结果发现在缺血肌肉中circHIPK3的表达减少。为了探索circHIPK3在缺血性损伤中的作用,研究人员将小鼠在手术后随机分为三组:1) 溶剂对照组, 2)UMSC-Exo组, 3)UMSC-Exo和靶向circHIPK3的siRNA(UMSC-Exo / si-circHIPK3)组。UMSC-Exo处理显著增加了circHIPK3的表达并改善了血液灌注、运行距离和肌肉力量,而且通过注射UMSC-Exo / si-circHIPK3得以逆转,这表明UMSC-Exo通过释放circHIPK3改善了肌肉功能。UMSC-Exo治疗还可抑制局部缺血诱导的细胞焦亡-炎症小体引起的细胞死亡,主要包括NLRP3的激活、caspase-1的裂解以及随后IL-1β和IL-18的增加,并且通过注射UMSC-Exo / si-circHIPK3可以逆转表型。生物信息学分析确定miR-421 / FOXO3a为circHIPK3的潜在靶点,荧光素酶报告基因分析证实了这一点。在C2C12细胞中敲除circHIPK3导致miR-421表达增加。研究人员通过用LPS和ATP刺激C2C12细胞建立了一个焦亡的体外模型。LPS和ATP处理导致circHIPK3的表达减少,而miR-421的表达增加,而UMSC-Exo可以抑制这些现象。蛋白质印迹分析表明,当用UMSC-Exo处理细胞时,NLRP3和裂解caspase-1的水平降低。在miR-421抑制剂存在下,FOXO3a在C2C12细胞中的表达增加,而当用LPS和ATP处理细胞时,FOXO3a的表达减少。重要的是,UMSC-Exo上调了FOXO3a的表达,但是当si-circHIPK3处理后,FOXO3a的表达降低。

综上所述,研究人员使用circRNA / mRNA测序数据和生物信息学分析作为指导,以及功能缺失和功能获得的方法,确定了miR-421 / FOXO3a是circHIPK3的直接靶标,而UMSC-Exo通过释放circHIPK3来预防缺血性损伤,circHIPK3调节miR-421,抑制FOXO3a相关的细胞焦亡,释放IL-1β和IL-18。该研究突出了circHIPK3在介导基于UMSC-Exo的组织修复疗法中的作用,并在预防炎性体诱导的细胞焦亡中的作用。

 

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