Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 2023; 90(4):267-276 | DOI: 10.55095/achot2023/032
Protizánětlivý efekt miR-140-3p v BMSCs-exosomech na osteoartrózuPůvodní práce
- The Department of Sports Medicine, the Second Affiliated Hospital and Yuying Children's Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou, Zhejiang, China
Purpose of the Study
Articular cartilage injury is a common disease in daily life, with a high incidence. The aim of this study was to investigate the effect and mechanism of miRNA-140-3p in bone mesenchymal stem cells (BMSCs)-derived exosomes under hypoxia on inflammatory articular chondrocytes.
Material and Methods
To simulate the pathological status of arthritis, rat chondrocytes were used to establish the osteoarthritis (OA) model by IL-1β (10 μg/ml) as a modulating in vitro, and exosomes were isolated by differential ultra-high speed centrifugation. The cell counting kit-8, wound healing and flow cytometry assays were utilized to assess proliferation, migration and apoptosis of chondrocytes, respectively. Lipogenic and chondrogenic differentiation of chondrocytes were detected by oil red O staining and toluidine blue staining individually. The expressions of miR-140-3p and chondrocyte-specific gene mRNA were investigated using qRT-PCR. Western blot was applied to assess chondrocyte associated proteins and BMSC-Exo surface protein markers, and immunohistochemistry was adopted to detect the staining of collagen I and II.
Results
Under scanning electronic microscope, the shape of exosomes was almost round. Exosome treatment prominently impaired the inhibition of chondrocytes' proliferative and migrative ability by IL-1β. It was found hypoxia had a more marked impact on proliferation, expression of collagen II and apoptosis in OA chondrocytes than normoxia, as well as a stronger effect on weakening adipose differentiation and enhancing chondrogenic differentiation in inflammatory chondrocytes. Furthermore, incubation with BMSC-Exo overexpressing miR-140-3p can remarkably increase the survival rate and migration in inflammatory chondrocytes. In addition, overexpression of miR-140-3p was found to enhance the chondrogenic differentiation of inflammatory chondrocytes. Furthermore, we found that the healing effect of exosomes on inflammatory chondrocytes under hypoxic conditions was produced by a rise in miR-140-3p expression within them and that hypoxia-mediated upregulation of miR-140-3p expression occurred through HIF-1α.
Conclusions
Under hypoxia, BMSC-Exo enhanced the chondrogenic phenotype, increased the viability of inflammatory chondrocytes. The overexpression of miR-140-3p in BMSC-Exo is beneficial to protect joints and delaying the pathogenesis in OA.
Klíčová slova: HIF-1α, apoptosis, lipogenic differentiation, chondrogenic differentiation.
Zveřejněno: 15. srpen 2023 Zobrazit citaci
Reference
- Arthur A, Gronthos S. Clinical application of bone marrow mesenchymal stem/stromal cells to repair skeletal tissue. Int J Mol Sci. 2020;21:9759.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Askari H, Raeis-Abdollahi E, Abazari MF, Akrami H, Vakili S, Savardashtaki A, Tajbakhsh A, Sanadgol N, Azarnezhad A, Rahmati L, Abdullahi PR, Zare Karizi S, Safarpour AR. Recent findings on the role of microRNAs in genetic kidney diseases. Mol Biol Rep. 2022;49:7039-7056.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Basu J, Ludlow JW. Exosomes for repair, regeneration and rejuvenation. Expert Opin Biol Ther. 2016;16:489-506.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Garcia-Garcia A, De Castillejo CL, Mendez-Ferrer S. BMSCs and hematopoiesis. Immunol Lett. 2015;168:129-135.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Gartland A, Mechler J, Mason-Savas A, Mackay CA, Mailhot G, Marks SC, Jr., Odgren PR. In vitro chondrocyte differentiation using costochondral chondrocytes as a source of primary rat chondrocyte cultures: an improved isolation and cryopreservation method. Bone. 2005;37:530-544.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Hawker GA, Lohmander LS. What an earlier recognition of osteoarthritis can do for OA prevention. Osteoarthritis Cartilage. 2021;29:1632-1634.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- He L, He T, Xing J, Zhou Q, Fan L, Liu C, Chen Y, Wu D, Tian Z, Liu B, Rong L. Bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomes protect cartilage damage and relieve knee osteoarthritis pain in a rat model of osteoarthritis. Stem Cell Res Ther. 2020;11:276.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Hermann W, Lambova S, Muller-Ladner U. Current treatment options for osteoarthritis. Curr Rheumatol Rev. 2018;14:108-116.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Hsu YL, Hung JY, Chang WA, Jian SF, Lin YS, Pan YC, Wu CY, Kuo PL. Hypoxic lung-cancer-derived extracellular vesicle microRNA-103a increases the oncogenic effects of macrophages by targeting PTEN. Mol Ther. 2018;26:568-581.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Jiang Y, Zhang J, Li Z, Jia G. Bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomal miR-25 regulates the ubiquitination and degradation of Runx2 by SMURF1 to promote fracture healing in mice. Front Med (Lausanne). 2020;7:577578.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Kim YG, Choi J, Kim K. Mesenchymal stem cell-derived exosomes for effective cartilage tissue repair and treatment of osteoarthritis. Biotechnol J. 2020;15:e2000082.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- King LK, Epstein J, Cross M, Buzzi M, Buttel T, Cembalo SM, Spitz E, Adams CL, Adebajo A, Bennell K, Blanco B, Courage U, Decary S, Gill M, Gill TK, Hajji R, Hinman RS, Jones A, Li LC, Mather K, Mani R, Nasef SI, Oo WM, Osteras N, Otobo TM, Ramiro S, Sharma S, April KT, Touma Z, Whittaker JL, Wluka AE, Grosskleg S, Hunter DJ, Shea B, Hawker GA, Callahan LF, March L, Guillemin F. Endorsement of the domains of knee and hip osteoarthritis (OA) flare: a report from the OMERACT 2020 inaugural virtual consensus vote from the flares in OA working group. Semin Arthritis Rheum. 2021;51:618-622.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Lennon DP, Caplan AI. Isolation of rat marrow-derived mesenchymal stem cells. Exp Hematol. 2006;34:1606-1607.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Liang Y, Xu X, Li X, Xiong J, Li B, Duan L, Wang D, Xia J. Chondrocyte-targeted microRNA delivery by engineered exosomes toward a cell-free osteoarthritis therapy. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12:36938-36947.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Liu C, Li Y, Yang Z, Zhou Z, Lou Z, Zhang Q. Kartogenin enhances the therapeutic effect of bone marrow mesenchymal stem cells derived exosomes in cartilage repair. Nanomedicine (Lond). 2020;15:273-288.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Liu Y, Zou R, Wang Z, Wen C, Zhang F, Lin F. Exosomal KLF3-AS1 from hMSCs promoted cartilage repair and chondrocyte proliferation in osteoarthritis. Biochem J. 2018;475:3629-3638.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Lui PP, Chan LS, Lee YW, Fu SC, Chan KM. Sustained expression of proteoglycans and collagen type III/type I ratio in a calcified tendinopathy model. Rheumatology (Oxford). 2010;49:231-239.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Mianehsaz E, Mirzaei HR, Mahjoubin-Tehran M, Rezaee A, Sahebnasagh R, Pourhanifeh MH, Mirzaei H, Hamblin MR. Mesenchymal stem cell-derived exosomes: a new therapeutic approach to osteoarthritis? Stem Cell Res Ther. 2019;10:340.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- O'neill TW, Felson DT. Mechanisms of osteoarthritis (OA) pain. Curr Osteoporos Rep. 2018;16:611-616.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Ren T, Wei P, Song Q, Ye Z, Wang Y, Huang L. MiR-140-3p ameliorates the progression of osteoarthritis via targeting CXCR4. Biol Pharm Bull. 2020;43:810-816.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Strack R. Improved exosome detection. Nat Methods. 2019;16:286.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Vidigal JA, Ventura A. The biological functions of miRNAs: lessons from in vivo studies. Trends Cell Biol. 2015;25:137-147.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Weinstein SL. The burden of musculoskeletal conditions. J Bone Joint Surg Am. 2016;98:1331.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Woods S, Charlton S, Cheung K, Hao Y, Soul J, Reynard LN, Crowe N, Swingler TE, Skelton AJ, Pirog KA, Miles CG, Tsompani D, Jackson RM, Dalmay T, Clark IM, Barter MJ, Young DA. microRNA-seq of cartilage reveals an overabundance of miR-140-3p which contains functional isomiRs. RNA. 2020;26:1575-1588.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Yang D, Zhang W, Zhang H, Zhang F, Chen L, Ma L, Larcher LM, Chen S, Liu N, Zhao Q, Tran PHL, Chen C, Veedu RN, Wang T. Progress, opportunity, and perspective on exosome isolation - efforts for efficient exosome-based theranostics. Theranostics. 2020;10:3684-3707.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Yin CM, Suen WC, Lin S, Wu XM, Li G, Pan XH. Dysregulation of both miR-140-3p and miR-140-5p in synovial fluid correlate with osteoarthritis severity. Bone Joint Res. 2017;6:612-618.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Ying C, Wang R, Wang Z, Tao J, Yin W, Zhang J, Yi C, Qi X, Han D. BMSC-exosomes carry mutant HIF-1alpha for improving angiogenesis and osteogenesis in critical-sized calvarial defects. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8:565561.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Zhou S, Wen H, Cai W, Zhang Y, Li H. Effect of hypoxia/reoxygenation on the biological effect of IGF system and the inflammatory mediators in cultured synoviocytes. Biochem Biophys Res Commun. 2019;508:17-24.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- Zhou X, Liang H, Hu X, An J, Ding S, Yu S, Liu C, Li F, Xu Y. BMSC-derived exosomes from congenital polydactyly tissue alleviate osteoarthritis by promoting chondrocyte proliferation. Cell Death Discov. 2020;6:142.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...