Far-infrared irradiation inhibits adipogenic differentiation and stimulates osteogenic differentiation of human tonsil-derived mesenchymal stem cells

Abstract

Far-infrared (FIR) irradiation has been reported to exhibit various biological effects such as the improvement of cardiovascular function. However, its effects on the differentiation potency of stem cells have never been studied. Here, this study examined whether and how FIR irradiation regulates adipogenic or osteogenic differentiation using tonsil-derived mesenchymal stem cells (TMSCs). TMSCs were exposed to FIR irradiation (3-25 μm wavelength) at room temperature up to 60 min, after which they were allowed to undergo adipogenic or osteogenic differentiation for 14 days. Compared to the control, FIR irradiation did not alter the cell viability and expression of MSC-specific surface antigens (CD14, CD34, CD45, CD73, CD90, and CD105). The FIR irradiation significantly inhibited adipogenic differentiation of TMSCs as evidenced by decreased Oil red O staining and decreased protein expression of peroxisome proliferator-activated receptor γ and fatty acid-binding protein 4. In contrast, the FIR irradiation promoted osteogenic differentiation, as demonstrated by increased Alizarin red S staining as well as protein expression of osteocalcin and alkaline phosphatase. The inhibitory effect of FIR irradiation on the adipogenic differentiation of TMSCs was unlikely due to the thermal effect of FIR irradiation. However, treatment with heat alone induced osteogenic differentiation, but to lesser extent than that by FIR irradiation. Exposure to FIR also increased the intracellular Ca2+ levels and activity of protein phosphatase 2B (PP2B) in the TMSCs. Treatment with cyclosporin A, a specific PP2B inhibitor reversed the inhibition of adipogenic differentiation induced by FIR irradiation in TMSCs, but had no effect on their osteogenic differentiation. Furthermore, FIR irradiation decreased adipogenic differentiation by increasing intracellular Ca2+ in the TMSCs through the activation of transient receptor potential vanilloid 2 (TRPV2), which is a calcium-permeable channel located in the cell membrane. Our data demonstrate that FIR irradiation suppresses adipogenic differentiation, but promotes osteogenic differentiation of TMSCs; the inhibitory effect on adipogenic differentiation is non-thermal and is due to an increase in the intracellular Ca2+ levels through the TRPV2 channel. It is also, at least partly, due to the activation of Ca2+-dependent PP2B.;원적외선 조사 (Far-infrared irradiation)는 심혈관 기능을 증진시키는 역할과 함께 다양한 생물학적 효과를 보인다고 알려져 왔다. 그러나 현재까지 줄기세포의 잠재적인 분화능에 대한 원적외선 조사의 효과는 보고되지 않았다. 본 연구에서는 이를 위해 편도유래줄기세포를 이용하여 원적외선 조사가 지방세포와 골세포로의 분화를 조절하는지 여부와, 조절한다면 어떻게 조절하는지에 대해 알아 보고자 하였다. 본 연구에서는 3-25 μm의 파장을 가지는 원적외선 기기를 사용하여 최대 60분까지 편도유래줄기세포에 원적외선을 조사하였으며, 이후 14일동안 지방세포 혹은 골세포로의 분화를 유도하였다. 원적외선을 조사하지 않은 군과 원적외선을 조사한 군을 비교하였을 때, 세포 성장 및 줄기세포의 특정한 표면 항원 (CD14, CD34, CD45, CD90, 그리고 CD105)의 발현에 있어서 두 군간의 차이가 없었다. 원적외선 조사가 편도유래줄기세포의 지방세포로의 분화를 억제 시킴은 Oil red O 염색법과 지방세포의 특정 표지자인 peroxisome proliferator-activated receptor γ 및 fatty acid-binding protein 4 단백질의 발현이 감소됨을 통해 확인하였다. 반면, 세포 외 칼슘 침착을 확인하는 Alizarin red S 염색법과 골세포의 특정 표지자인 osteocalcin과 alkaline phosphatase의 증가를 통해 원적외선 조사가 골세포로의 분화를 촉진시킴을 확인하였다. 그리고 원적외선 조사는 기존에 잘 알려진 바대로 열에너지를 가지고 있기 때문에 앞서 기술한 편도유래줄기세포의 분화가 열에너지 성질에 의한 것인 지를 알아 보는 실험을 수행하였다. 그 결과, 원적외선에 의한 열 효과는 지방세포로의 분화 억제에는 효과가 없으나, 골세포로의 분화 촉진에는 일부 상승작용이 있음을 확인하였다. 원적외선 조사는 편도유래줄기세포 내 칼슘의 양을 증가시키고, protein phosphatase 2B (PP2B)의 활성을 증가시켰다. PP2B의 활성 억제제인, cyclosporin A를 처리하였을 때, 원적외선 조사에 의해 억제된 지방세포로의 분화가 역전되었고, 골세포로의 분화에는 아무런 영향을 주지 않았다. 게다가, 원적외선 조사는 세포막에 존재하는 칼슘수송체 중 하나인 transient receptor potential vanilloid 2 (TRPV2)의 활성을 증가시키며, 이런 과정을 통해 편도줄기세포 내로 칼슘의 양을 증가시킴과 동시에 지방세포로의 분화를 억제시킨다는 것을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 원적외선 조사가 편도유래줄기세포의 지방세포로의 분화를 억제시키고, 골세포로의 분화를 촉진시킨다는 것을 확인하였다. 또한 지방세포로의 분화에서 원적외선의 억제 효과는 원적외선 고유의 열에너지와는 무관하며 TRPV2 채널을 통한 세포 내 칼슘 증가에 의한 결과임을 확인하였다. 또한 세포 내 칼슘의존적인 단백질인 PP2B의 활성을 증가시켜 일어나는 것임을 확인할 수 있었다. 이런 연구를 바탕으로 원적외선 조사가 비만환자에서 지방의 축적 억제 및 골 결손 환자에서 골 형성 촉진을 위한 줄기세포 등을 이용한 세포치료제로서 가능성을 제고할 수 있음을 제시하였다.