Application of skeletal muscle cells differentiated from human tonsil-derived stem cells to a mouse model of Duchenne Muscular Dystrophy

Abstract

Skeletal muscles play many important roles in the human body, including that of contraction, and any malfunction or disorder of the skeletal muscles can lead to a reduced quality of life. Some skeletal dysfunctions are acquired, such as sarcopenia but others are congenital. Congenital cases usually occur by inheritance and include a variety of muscular dystrophies. Duchenne muscular dystrophy (DMD) is one of the most common forms of hereditary muscular dystrophy and is caused by a deficiency of the protein, dystrophin. Currently, there is no clear treatment for DMD, there are only methods that can alleviate the symptoms of the disease. Mesenchymal stem cells, including tonsil-derived mesenchymal stem cells (TMSCs) can be one of the resources for the treatment of DMD. TMSCs have been shown to differentiate into various cell types, including skeletal muscle cells (TMSC-myocyte). Muscle cell characteristics of TMSC-myocytes have been confirmed through changes in morphology and expression of skeletal muscle cell markers such as myogenin, Myf6, and MYH families after differentiation. Based on these characteristics, TMSC-myocytes have been transplanted into mdx mice, a mouse model of DMD, to investigate whether they can help improve the symptoms of DMD. The red fluorescent protein gene was transduced into TMSC (TMSC-R) for tracking transplanted cells. Importantly, TMSC-R was able to differentiate in the same manner as TMSC-myocytes. Ten weeks after transplantation (TP), the treated mice improved in a set of behavioral tests that evaluate whether the muscle function is restored. Increased expression of dystrophin and autophagy markers in the TP group compared with the sham group was confirmed by western blotting and immunohistochemistry in the gastrocnemius muscle 12 weeks after TP. These results demonstrate muscle regeneration and functional recovery of mdx via autophagy activation following TMSC-myocyte TP.;골격근은 그 양 끝이 뼈와 연결된 상태로 수축을 통해 몸을 움직이고 힘을 조절하는 역할을 한다. 인체의 움직임에 전반적으로 개입하는 만큼, 골격근에 문제가 생기면 그 만큼 삶의 질에 크게 영향을 준다. 이러한 골격근 장애에는 노화나 외상으로 인해 후천적으로 발생하는 경우도 있지만, 선천적으로 유전되는 경우도 있다. 그 대표적인 예가 근이영양증으로, dystrophin 유전자의 결핍으로 인해 발생한다. 듀시엔형 근이영양증은 X 염색체 열성으로 유전되며, 근이영양증 중에서 가장 흔하게 나타나는 종류이다. 듀시엔형 근이영양증에 대해서는 아직까지 증상 완화를 위한 치료제만 개발되었고, 원인을 해결할 수 있는 치료제는 없다. 그러나, 이에 대한 치료제 연구는 활발하게 이루어지고 있으며, 그 중에서 줄기세포치료제는 유망한 치료제 중 하나이다. 본 연구에서 사용한 재료는 편도 유래 중간엽 줄기세포로서, 이전 연구에서 편도 유래 중간엽 줄기세포로부터 근육세포로의 분화가 가능한 것을 확인한 바가 있다. 본 연구에서 사용한 세포는 편도 유래 중간엽 줄기세포에 RFP를 발현하도록 한 세포로서, RFP가 발현함에도 근육세포로의 분화가 정상적으로 되는 것을 확인하였다. 분화된 세포의 치료 효과를 확인하기 위해 듀시엔형 근이영양증의 동물 모델인 mdx mouse에 분화된 근육세포를 주사하였고, 12주 동안 근육의 재생 및 운동 기능의 회복을 행동 실험을 통해 관찰하였다. 12주 동안 진행된 행동실험에서 이식군이 대조군에 비하여 더 회복되는 경향을 확인하였다. 또한 12주 후 조직을 채취하여 진행한 dystrophin 및 골격근 마커에 대한 염색에서도 이식군에서 더 향상된 것을 확인하였다. 이러한 근육 재생의 기전을 찾기 위해 자가포식과 관련된 마커의 발현을 확인하였고, 이식군에서 더 활발하게 자가포식이 발생하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 편도유래 중간엽 줄기세포에서 분화된 근육세포를 mdx 쥐에 이식했을 때 근육 재생 및 운동 기능 회복에 도움이 되는 것과 이러한 증상의 개선은 자가포식의 활성화에 의한 것임을 확인하였다. 이 연구를 통하여 편도유래 중간엽 줄기세포가 근이영양증을 비롯한 다양한 근육질환의 치료제로서의 개발 가능성을 보여주고 있다.