Erythropoietin-priming enhances angiogenic potential of human peripheral blood stem cells mobilized with granulocyte colony-stimulating factor

Abstract

심혈관계 질환은 전 세계적으로 주요한 사망 원인이 되는 질환이며, 주요 사망 원인들 중 가장 급격하게 증가하고 있다. 특히, 심부전의 경우 아직까지 심장 이식 이외의 뾰족한 치료해법을 찾지 못하여 지속적으로 발병이 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 여러 새로운 치료법 개발 중 하나가 바로 말초혈액 자가 줄기세포를 이용한 심근의 재생 방법이다. G-CSF 주사를 통하여 전신순환계로 골수 유래 성체줄기세포를 동원시키고, 이를 말초 혈액을 채취 후 분리하여 이를 세포 치료원으로 사용하는 방법으로 심근경색 환자에게 관상동맥 내로 주사하는 세포치료요법을 기존 치료법과 병행하였을 경우 치료효과가 매우 호전됨이 확인되었다. 현재에는 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포의 치료효능을 더욱 높이기 위한 방안이 새로운 연구과제로 떠오르고 있다. 본 연구는 허혈성 심질환 치료를 위한 전도유망 세포 치료원인 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포의 치료효능을 증진시키기 위하여 에리스로포이 에틴을 이용한 체외 priming 단계를 도입하였다. 그리고 이를 통하여 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포의 혈관신생능이 향상됨으로써 치료 효능이 더욱 증진됨을 확인하였다. 건강한 자원자 4명에게 3일동안 G-CSF(10ug/kg)를 피하주사 한 후 전신 순환계로 동원된 골수 성체 줄기세포를 말초혈액을 채취하여 분리하였다. 채취한 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포를 에리스로포이에틴 양성과 음성 세포로 분리하여 에리스로포이에틴을 이용한 프라이밍 효과를 확인한 결과 에리스로포이에틴 양성 세포에서 혈관신생관련 유전자가 음성 세포 대비 더욱 증가함을 확인하였다. 또한 에리스로포이에틴을 이용하여 프라이밍한 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포의 배양액이 혈관 내피 세포의 혈관 형성능 및 이동능력을 대조군 대비 더욱 증진시킴을 invitro 실험을 통하여 확인하였다. 이러한 에리스로포이에틴 프라이밍을 통한 G-CSF 동원 말초혈액 줄기세포의 혈관 형성능 증가 효과는 누드 마우스의 허혈성 뒷다리 모델 및 심근경색 동물모델에서도 확인하였다. 본 연구는 체외에서 단시간 에리스로포이에틴 priming 자극은 G-CSF 동원 말초혈액 자가 줄기세포의 혈관 형성능력을 더욱 증진시킴을 증명함으로써 이를 통한 심근경색 세포치료법 개발의 더욱 효과적인 방향을 제시하였다. 더 나아가 본 연구 결과는 심근경색 세포치료법의 임상 적용을 위한 치료세포 최적화에 이바지할 수 있다.

Stem cell therapy in ischemic diseases, such as myocardial infarction (MI) has been regarded as a new method to repair ischemic tissue and promote neovascularization. Since the first in-human clinical trial using autologous bone marrow stem cells, numerous clinical trials of cell therapy have been carried out with various results. Recent several reports of meta-analysis demonstrated the promising results that stem cell therapy improves cardiac function and reduces infarct after acute MI. Despite the proven efficacy of stem cell therapy, there is still limitation in the therapeutic efficacy of current stem cell therapy for patients with ischemic heart disease. As a source of stem cells for clinical trials, autologous bone marrow mononuclear cells have been most frequently used. Alternative to bone marrow cells that require bone marrow puncture for harvest, we have used mobilized peripheral blood stem cells (mobPBSCs) that are enriched through mobilization of bone marrow cells by granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) and apheresis process in MAGIC-CELLtrials. The proportion of angiogenic progenitors in mobPBSCs was significantly increased and became comparable to bone marrow monocytes. We have demonstrated that intracoronary infusion of the mobPBSCs by G-CSF was effective in improving myocardial contractility and reducing infarct volume in patients with acute MI. Furthermore it improved long-term clinical outcomes. However,the therapeutic efficacy was limited mainly due to the poor retention rate after intracoronary infusion of the cells and the insufficient regenerative potency of the adult progenitors like mobPBSCs. As a practical breakthrough, we thought that priming of the mobPBSCs before infusion would be a feasible and reasonable strategy and that Erythropoietin(EPO) would be a good candidate as a priming agent. EPO, an erythropoietic growth factor that promotes survival, proliferation, and differentiation of erythroid progenitor cells, has long been used for cell based therapy in ischemic diseases. The EPOreceptor (EPOR) is a 59kDa protein foundnotonly in erythroidcells, but also in endothelialcells and mononuclear blood cells. Along with its erythropoietic effect, EPO is known to have various ischemia-protective properties while the mechanisms were not yet fully elucidated. Previous studies have shown that EPO increased endothelial cell proliferation and neovascularization, induces the proliferation, differentiation and adhesion of progenitor cells, and has anti-apoptotic effects. Thus in this study, we checked the presence of EPO R on mobPBSCs and evaluated the effect of EPO-priming on mobPBSCs in terms of angiogenic properties in vitro and in vivo.