Local delivery of HIF-1α-overexpressing cardiac stem cell for ischemic tissue regeneration

Abstract

Stem cell-based therapeutic angiogenesis has emerged as a promising approach for the treatment of critical limb ischemia, and gene modification of stem cells has been studied to enhance the therapeutic efficacy. The current study investigated the therapeutic potential of cardiac stem cells (CSCs) transfected with hypoxia inducible factor-1 alpha (HIF-1α) gene in vitro and in vivo. While CSCs in hypoxic condition maintained cell viability and showed enhanced paracrine effect, the angiogenic potency of the cells like tube formation ability and endothelial differentiation was impaired. After transient transfection of HIF-1α gene into CSCs, the impaired angiogenic potency of the cells in hypoxic condition was improved. In the mouse hindlimb ischemia model, the blood flow was recovered after intramuscular injection of HIF-1α-overexpressing CSCs. Furthermore, muscle degeneration and fibrosis in the ischemic limb were attenuated as examined by histological analysis. These results suggest that HIF-1α-overexpressing CSCs may be a novel strategy of stem cell therapy for treatment of ischemic diseases.;중증하지허혈은 말초동맥질환의 가장 심각한 형태로 혈관성형술 및 혈관우회술을 통해 허혈 부위로 혈액을 공급하는 것이 현 치료법이지만, 환자의 20%는 동맥의 심각한 석회화, 표적 혈관의 부재 등의 이유로 이 치료조차 받지 못하며, 이 중 상당수는 절단 수술이 요구된다. 이에 줄기세포를 이용한 혈관재생치료가 이 질환의 근본적인 치료법으로서 각광받고 있다. 전임상연구에서 다양한 조직으로부터 유래한 중간엽줄기세포들의 혈관신생효과가 확인되었으며, 특히 골수 유래 중간엽줄기세포의 경우 임상시험이 진행되고 있으나 아직 그 효과는 제한적이다. 이에 최적의 세포원을 찾기 위한 노력과 줄기세포의 치료효과를 높이기 위한 연구가 계속 되고 있다. 심장줄기세포는 심근세포, 혈관내피세포 및 평활근세포 등 심장을 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력이 검증된 바 있어 효과적인 허혈성 심근 재생 치료제로서 연구되어 왔으며, 그 결과 심근재생뿐만 아니라 혈관신생에도 관여하는 것으로 확인되었다. 또한 심장줄기세포는 생체 외 성장 능력이 우수하여 치료 용량 제조를 위한 세포의 대량 증식이 용이하며, 이식된 환경에 반응하는 줄기세포의 특성을 가지고 있기에 심장 질환뿐 아니라 중증하지허혈의 세포치료제로서의 가능성 또한 가지고 있다고 판단된다. 본 연구에서는 저산소 환경에서의 심장줄기세포의 특성을 파악하였으며, 혈관생성유도인자 중 하나인 hypoxia inducible factor-1 alpha (HIF-1α) 유전자를 세포에 형질주입하여 심장줄기세포의 혈관신생능을 강화시키고자 하였다. 심장줄기세포는 저산소 환경에서 높은 생존능을 보였으며, 저산소 자극에 반응하여 다양한 종류의 혈관신생인자들을 높은 수준으로 발현하는 것이 확인되었다. 세포의 혈관신생능을 보여주는 튜브 형성 능력과 혈관내피세포로의 분화능은 저산소 환경에서 억제되었지만, HIF-1α 유전자의 형질주입 후 다시 회복되는 양상을 보였다. HIF-1α 과발현 심장줄기세포를 중증하지허혈 동물 모델에 주입하여 생체 내 효과를 관찰한 결과, 세포 주입 후 허혈조직에서 혈류가 회복되었으며 근육 괴사 및 섬유화 또한 감소되었다. 이러한 실험 결과를 통해 심장줄기세포가 혈관재생능력을 가지며 그 능력이 HIF-1α 유전자의 형질주입을 통해 강화됨을 확인하였으며, HIF-1α 과발현 심장줄기세포의 허혈성 질환 치료제로서의 가능성을 보여주었다.