Therapeutic effects of human adipose stem cell-conditioned medium on stroke

Abstract

Cell therapy using stem cells is a promising approach to treating ischemic diseases including stroke. However, low survival rates of implanted cells undermines the therapeutic efficacy of the cell-based treatment. Therefore, developing an alternative approach to direct transplantation of stem cells might be required, which could also ensure the safety of stem cell-based therapies. The use of stem cell-conditioned media (CM) instead of direct implantation of stem cells may be a feasible approach to overcome the limitations of cell-based therapy. In the present study, we examined the therapeutic effect of CM against ischemic brain injury. The CM was prepared by culturing human adipose-derived stem cells in a three-dimensional spheroid form, which increases the secretion of angiogenic factors such as VEGF and bFGF. Ischemic stroke was induced by standard MCAO methods in the right cerebral hemisphere of 8 week-old Sprague-Dawley rats. Continuous infusion of CM or MEM media (0.5 ul/h, n = 9 and 8, respectively) into the left lateral ventricle was initiated 8 days after the MCAO surgery using a brain infusion cannula (Alzet brain infusion kit) and maintained for 7 days. Continuous CM infusion significantly reduced the infarction volume and maintained motor function (Rota rod test). Because the CM was prepared to contain high angiogenic factors, alteration in microvessel density and neural cell apoptosis (TUNEL assay) were examined in the penumbra region. The microvessel density increased significantly by the treatment and the number of TUNEL-positive neural cells were significantly reduced. In this study, the therapeutic effects of the CM against stroke was confirmed in an animal model. Endothelial cell proliferation and reduced neural cell apoptosis may play important roles in the treatment effects of CM.

줄기세포를 이용한 세포치료는 뇌졸중을 포함한 허혈성 질환에 있어 주목 받고 있는 방법이다. 그러나 이식된 세포들의 낮은 생존율로 인해 치료의 효율성이 좋지 못하기 때문에 직접적으로 줄기세포를 이식하는 방법 외의 안전하고 효율성 있는 대체법의 개발이 필요하다. 직접적인 줄기세포의 이식대신 줄기세포배양액을 사용하는 것은 세포기반의 치료법에 대한 한계점을 극복하기 위한 방법 중 하나이며 본 논문은 허혈성 뇌손상에 대한 줄기세포배양액의 치료효과에 대해 연구하였다. 줄기세포배양액은 VEGF, bFGF같은 혈관신생인자들의 분비를 증가시키기 위해 인간 지방줄기세포로부터 3차원 세포배양법으로 준비하였다. 허혈성 뇌졸중은 8주령의 Sprague-Dawley 렛드를 이용하여 오른쪽 중간대뇌동맥폐쇄로 유발시켰다. 뇌졸중을 유발 한 후 줄기세포배양액과 대조군인 줄기세포를 배양 전 배양액을brain infusion kit를 이용하여 왼쪽 외측뇌실에 7일 동안 0.5 ul/h로 계속적으로 주입하였으며 각각 사용된 동물의 수는 9마리와 8마리이다. 줄기세포배양액에 혈관신생인자들이 높은 수준으로 포함되어 있었기 때문에 병변 근처의 살아 있는 조직 내에서 미세혈관의 변화와 신경세포들의 세포 자연사멸 (apoptosis, TUNEL assay) 변화에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결과 줄기세포배양액을 주입한 군에서 뇌졸중 병변의 크기가 줄어들고 미세혈관의 수가 증가하였으며TUNEL시험에 양성을 나타내는 세포들은 줄어드는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문은 뇌졸중에 대한 줄기세포배양액의 치료효과를 동물모델에서 확인하였으며 줄기세포배양액의 효과 중 혈관내피세포증식의 증가와 신경세포의 세포자연사를 줄이는 것이 뇌졸중 병변의 치료에 주요한 원인인 것을 확인하였다.