MSCs调节线粒体动力学改善糖尿病血管内皮损伤的作用及机制研究

Hyperglycemia-induced mitochondrial dysfunction and mitochondrial reactive oxygen species (mtROS) overproduction is the main culprit for diabetic vascular complications. A considerable amount of evidence has demonstrated that mesenchymal stem and/or stromal cells (MSCs) have an extraordinary cytoprotective effect on cardiovascular disease that extends to the modulation of mitochondrial function. However, the underlying mechanisms have not been clearly defined. In our previous study, we found that MSCs could inhibit hyperglycemia-induced excessive mitochondrial fission, recover mitochondrial morphology and attenuate endothelial apoptosis. Mitochondrial morphology has known to be regulated by mitochondrial dynamics. Thus, exploring the mechanism that MSCs manipulate mitochondrial dynamical homeostasis is of importance to uncover the underlying mechanisms of MSCs protecting hyperglycemia-induced endothelial dysfunction. On the basis of preliminary work, the project is proposed to carry out the following research: ①build a high glucose-induced endothelial dysfunction model to investigate the change of mitochondrial morphology and function under high glucose conditions; ②investigate whether MSCs has an inhibitory effect on high glucose-induced excessive mitochondrial fission, and explore the relationship between this inhibitory effect and the protective effect of MSCs in ameliorating oxidative damage of endothelial cells; ③ascertain the mechanism through which MSCs inhibited mitochondrial fission and thereafter alleviated oxidative damage of endothelial cells, and confirm the results in vivo by establishing a diabetic rat model.

糖尿病高血糖引起的线粒体失功以及线粒体活性氧(mtROS)累积是糖尿病血管病变的主要原因。大量研究证实，间充质干细胞/或基质细胞(MSCs)对心血管疾病有良好的治疗效果，并且对细胞线粒体功能具有很好的改善作用，但对其确切的分子机制尚不明晰。我们前期研究发现，MSCs干预能有效抑制高糖引起的线粒体过度分裂，恢复线粒体形态，缓解内皮细胞凋亡。已知线粒体形态受线粒体动力学调控，探明MSCs对线粒体动力学稳态的调控，对揭示MSCs改善糖尿病血管内皮损伤的分子机制具有重要意义。本项目拟在前期工作基础上，开展以下研究：①建立高糖诱导的内皮细胞损伤模型，观察高糖条件下内皮细胞线粒体形态及功能变化；②观察MSCs干预对高糖条件下线粒体过度分裂的抑制效果，并探讨该抑制作用与其改善内皮细胞氧化损伤之间的关系；③探明MSCs抑制线粒体分裂缓解高糖引起的内皮失功的分子机制，并通过建立糖尿病大鼠模型在体内进行印证。

线粒体失功及过量的线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygen species, mtROS）生成是导致糖尿病血管内皮损伤的主要因素，大量研究表明，线粒体是高糖(high glucose, HG)条件下 ROS 的主要来源，也是细胞内氧化损伤的主要靶细胞器，因此氧化应激与线粒体损伤息息相关。线粒体是一种动态变化的细胞器，其形态受到融合/分裂过程的调控，称之为“线粒体动力学”，与线粒体功能有着重要的联系。在糖尿病条件下，线粒体动力学稳态失衡引起线粒体失功，其中线粒体分裂占据主导地位，导致线粒体片段化，线粒体外膜通透性增加，最终诱发促凋亡因子的释放，促进细胞凋亡。间充质干细胞/或基质细胞（mesenchymal stem and/or stromal cells, MSCs）是一种重要的成体干细胞，它能分泌多种有益细胞因子发挥抗炎、抗氧化、调节自身免疫和细胞微环境，并且还能维持线粒体稳态，因而在糖尿病等多种疾病的治疗中展现出良好的治疗前景，但是关于MSCs发挥作用的潜在机制还不是很清楚，因此，本项目主要探究MSCs是否可通过调节线粒体动力学来改善高糖诱导的血管内皮损伤。我们研究结果显示：HG刺激导致Drp1介导的内皮细胞线粒体损伤，主要表现为：线粒体片段化明显增加，膜电位下降，线粒体呼吸和ATP生成受到抑制；此外，线粒体结构改变还引起mtROS激增及线粒体外膜通透性改变，诱发线粒体依赖的细胞凋亡。体内实验结果显示，高血糖引起糖尿病小鼠主动脉内皮细胞线粒体过度分裂，导致内皮组织氧化应激以及单核细胞黏附显著增加，并伴随血管内皮细胞依赖性舒张压明显下降。Transwell共培养干预及体内MSCs输注治疗表明，MSCs通过分泌STC1抑制HG引起的ERK1/2持续激活，抑制Drp1-ser616磷酸化，从而缓解HG条件下Drp1介导的线粒体过度分裂，改善线粒体失功，抑制细胞凋亡及内皮氧化损伤。本研究揭示了MSCs治疗改善糖尿病血管内皮损伤的重要机制，为MSC治疗的临床应用提供了新的思路。