同種の脂肪由来幹細胞は、HIF-1α/IL-10経路を介してM2マクロファージの分極を誘導することで虚血性筋の修復を促進する

Allogeneic adipose-derived stem cells promote ischemic muscle repair by inducing M2 macrophage polarization via the HIF-1α/IL-10 pathway.

• Junchao Liu
• Peng Qiu
• Jinbao Qin
• Xiaoyu Wu
• Xin Wang
• Xinrui Yang
• Bo Li
• Wenjie Zhang
• Kaichuang Ye
• Zhiyou Peng
• Xinwu Lu

抄録

脂肪由来間葉系幹細胞（ASC）は多能性の間葉系細胞であり、組織リモデリングの治療に大きな可能性を持っています。しかし、重症肢虚血（CLI）におけるASCの保護機構は完全には定義されていない。血管閉塞後の虚血肢では、低酸素状態が顕著に現れる。本研究では、虚血性筋修復に対するASCの免疫調節効果を調べ、その特異的なメカニズムを探った。その結果、低酸素下ではRAW264.7細胞の遊走能力が低下するのに対し、ASCとの共培養により遊走能力が向上することを見出した。さらに、低酸素環境下では、ASCのパラクリン効果が増強され、RAW264.7マクロファージを抗炎症性のM2表現型に誘導することができた。さらに、低酸素誘導因子-1α（HIF-1α）を介したASC由来のインターロイキン10（IL-10）が、シグナル伝達物質および転写3（STAT3）/アルギナーゼ（Arg-1）経路を活性化することで、M2マクロファージの誘導に重要な役割を果たしていることを明らかにした。移植したASCが虚血筋にマクロファージをリクルートし、M2マクロファージの密度を増加させることで免疫調節効果を発揮することをin vivo実験で明らかにしました。また、ASCを虚血肢に移植すると、血流再灌流や四肢の救命率が増加するのに対し、組織マクロファージの枯渇やHIF-1αサイレンス化されたASCを移植すると、治療効果が抑制されることが明らかになりました。これらの知見は、ASCが介在する虚血性筋修復におけるマクロファージの重要な役割を明らかにし、同種のASCがマクロファージのリクルートを促進し、HIF-1α/IL-10経路を介してマクロファージをM2表現型に誘導することで、マクロファージの保護効果を発揮することを証明した。本研究は、重症肢虚血（CLI）修復における同種脂肪由来幹細胞（ASC）のメカニズムを探ることに焦点を当てたものである。これまでに、マクロファージは、ASCが介在する虚血性筋の修復に重要な役割を果たしていること、また、移植されたASCがマクロファージをリクルートし、マクロファージをM2表現型に誘導することで、組織のリモデリングに寄与することを明らかにした。また、筋膜の分極過程では、低酸素誘導性因子-1a（HIF-1a）を介したASC由来のインターロイキン10（IL-10）が重要な役割を果たしていることが明らかになった。本研究で得られた結果は、虚血肢修復における同種ASCのトランスレーショナルアプリケーションに貢献し、虚血条件下での幹細胞とマクロファージの相互作用の理解に役立つ可能性がある。

Adipose-derived mesenchymal stem cells (ASCs) are multipotent stromal cells that possess considerable therapeutic potential for tissue remodeling. However, their protective mechanism in critical limb ischemia (CLI) has not been fully defined. After the occlusion of blood vessels, hypoxia becomes a prominent feature of the ischemic limb. This study investigated the immunomodulatory effect of ASCs on ischemic muscle repair and explored the specific mechanism. We found that the ability of RAW264.7 cells to migrate was impaired in hypoxia, whereas coculturing with ASCs could enhance the migration capacity. In addition, under hypoxic conditions, the paracrine effect of ASCs was enhanced and ASCs could induce RAW264.7 macrophages towards the anti-inflammatory M2 phenotype. We further demonstrated that ASCs-derived interleukin 10 (IL-10), mediated by hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α), played a crucial role in the induction of M2 macrophages by activating the signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) /Arginase (Arg-1) pathway. Our in vivo experiments revealed that transplanted ASCs exhibited an immunomodulatory effect by recruiting macrophages to ischemic muscle and increasing the density of M2 macrophages. The transplantation of ASCs into ischemic limbs induced increased blood flow reperfusion and limb salvage rate, whereas the depletion of tissue macrophages or transplanting HIF-1α-silenced ASCs inhibited the therapeutic effect. These findings elucidated the critical role of macrophages in ASCs-mediated ischemic muscle repair and proved that allogeneic ASCs could exert the protective effect by enhancing the recruitment of macrophages and inducing macrophages towards M2 phenotype through HIF-1α/IL-10 pathway. © AlphaMed Press 2020 SIGNIFICANCE STATEMENT: This study focused on exploring the mechanism of allogeneic adipose-derived stem cells (ASCs) in critical limb ischemia (CLI) repair. Our work has demonstrated that macrophages are critical in ASCs-mediated ischemic muscle repair and that transplanted ASCs can contribute to tissue remodeling by recruiting macrophages and inducing macrophages towards M2 phenotype. Mechanically, ASCs-derived interleukin 10 (IL-10), mediated by hypoxia inducible factor-1a (HIF-1a), plays the crucial role during the polarization process. The results obtained from this study could contribute to the translational application of allogeneic ASCs in ischemic limb repair and help to understand the interaction between stem cells and macrophages under ischemic conditions.

©2020 The Authors. Stem Cells published by Wiley Periodicals LLC on behalf of AlphaMed Press 2020.