Mesenchymal stromal cell-derived small extracellular vesicles induce ischemic neuroprotection by modulating leukocytes and specifically polymorphonuclear neutrophils
Small extracellular vesicles (sEVs) obtained from mesenchymal stromal cells (MSCs) were shown to induce neurological recovery after focal cerebral ischemia in rodents and to reverse post-ischemic lymphopenia in peripheral blood. Since peripheral blood cells, especially polymorphonuclear neutrophils (PMNs), contribute to ischemic brain injury, we analyzed brain leukocyte responses to sEVs and investigated the role of PMNs in sEV-induced neuroprotection.
Male C57Bl6/j mice were exposed to transient intraluminal middle cerebral artery occlusion. After reperfusion onset, vehicle or sEVs prepared from conditioned media of MSCs raised from bone marrow (BM) samples of three randomly selected healthy human donors were intravenously administered. sEVs obtained from normoxic and hypoxic MSCs were applied. PMNs were depleted in vehicle and MSC-sEV treated mice. Neurological deficits, ischemic injury, blood-brain barrier integrity, peripheral blood leukocyte responses and brain leukocyte infiltration were evaluated over 72 hours.
sEV preparations of all three donors collected from normoxic MSCs significantly reduced neurological deficits. Preparations of two of these donors significantly decreased infarct volume and neuronal injury. sEV-induced neuroprotection was consistently associated with decreased brain infiltrates of leukocytes, namely of PMNs, monocytes/ macrophages and lymphocytes. sEVs obtained from hypoxic MSCs (1% O2) had very similar effects on neurological deficits and ischemic injury as MSC-sEVs obtained under regular conditions (21% O2), but also reduced serum IgG extravasation, a marker of blood-brain barrier permeability. PMN depletion mimicked the effects of MSC-sEVs on neurological recovery, ischemic injury and brain PMN, monocyte and lymphocyte counts. Combined MSC-sEV administration and PMN depletion did not have any effects superior to PMN depletion alone in any of the readouts examined.
Leukocytes and specifically PMNs contribute to MSC-sEV induced post-ischemic neuroprotection. Individual MSC-sEV preparations may differ in their neuroprotective activities. Thus, potency assays are urgently needed to identify their therapeutic efficacy before clinical application.
Es wurde bislang gezeigt, dass kleine extrazelluläre Vesikel (sEVs) von mesenchymalen Stromazellen (MSCs), nach einer fokalen zerebralen Ischämie in Nagetieren neuroprotektiv wirken und einer post-ischämischen Lymphopenie entgegenwirken. Da periphere Blutzellen, insbesondere polymorphkernige Neutrophile (PMNs), zur ischämischen Gehirnschädigung beitragen, wurden die Auswirkungen von sEVs auf Leukozyten untersucht und die Rolle von PMNs in sEV-induzierter Protektion analysiert.
Männliche C57Bl6/j Mäuse wurden einer intraluminalen Okklusion der mittleren Zerebralarterie ausgesetzt. Mit Beginn der Reperfusion wurden entweder Vehikel oder sEVs, isoliert aus konditioniertem Medium von Knochenmark-MSCs von drei gesunden und zufälligen menschlichen Spendern, intravenös injiziert. Es wurden sEVs von normoxischen oder hypoxischen MSCs verwendet. PMNs wurden in den Vehikel- oder MSC-sEV-behandelten Mäusen depletiert. Über einen Zeitraum von 72 Stunden wurden neurologische Defizite, die ischämische Schädigung, die Blut-Hirn-Schrankenintegrität, periphere Leukozyten und die Leukozyteninfiltration untersucht.
sEVs aus normoxischen MSCs aller drei Spender reduzierten signifikant neurologische Defizite. sEVs von MSCs zweier Spender verringerten signifikant das Infarktvolumen und die neurologische Schädigung. Die sEV-induzierte Neuroprotektion war assoziiert mit einer niedrigeren Leukozyteninfiltration, insbesondere von PMNs, Monozyten/ Makrophagen und Lymphozyten. sEVs aus hypoxischen MSCs (1% O2)hatten ähnliche Effekte auf neurologische Defizite und die ischämische Schädigung wie MSC-sEVs, die unter regulären Bedingungen (21% O2) isoliert wurden, aber verringerten auch die Extravasation von Serum IgG. Die Depletion von PMNs hatte eine vergleichbare Auswirkung auf die neurologische Erholung, die ischämische Schädigung und die Zahl der PMNs, Monozyten und Lymphozyten im Gehirn, wie MSC-sEVs. Die Applikation von MSC-sEVs in Kombination mit einer PMN Depletion verbesserte die Wirkung der alleinigen PMN Depletion, bezogen auf die untersuchten Parameter, nicht zusätzlich.
Leukozyten, insbesondere PMNs, tragen zur MSC-sEV-induzierten post-ischämischen Neuroprotektion bei. Individuelle MSC-sEV Fraktionen unterscheiden sich u.U. hinsichtlich ihres neuroprotektiven Potentials. Die Entwicklung von Aktivitätsassays, die geeignet sind das therapeutische Potential einzuschätzen, ist daher vor einer klinischen Applikation zwingend notwendig.