Optimizing the Immunoregulatory Properties of Human Mesenchymal Stromal Cells and their Extracellular Vesicles by Immunological Priming

This cumulative dissertation addresses the immunoregulatory properties of mesenchymal stromal cells (MSCs) and their extracellular vesicles (EVs). The research elucidates the molecular responses by MSCs when exposed to a multitude of inflammatory cytokines, including tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), interleukin-1 beta (IL-1β), and interferon-gamma (IFN-γ), thereby contributing to a deeper understanding of MSCs' immunoregulatory function. In the initial study, we compared the effects of TNF-α, IL-1β, and IFN-γ on MSCs, focusing on the augmented immunoregulatory response towards polymorphonuclear neutrophils (PMN). Our findings reveal a critical feedback loop where TNF-α and IL-1β enhance the expression of interferon-gamma receptor (IFN-γR) via nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-κB) signalling. This upregulation augments MSC responsiveness to IFN-γ, fostering an increased Interleukin 8 (IL-8) release and promoting the recruitment of PMN. Building upon this, the following study assessed the immunoregulatory properties of MSCs and their EVs, to enhance the immunosuppressive effects towards activated T cells and foster the induction of regulatory T cells in a (programmed cell death protein 1) PD-1 dependent manner. We demonstrated that EVs derived from primed MSCs not only attenuate the severity of graft-versus-host disease in a murine model but also prolong survival. In conclusion, this dissertation unveils priming strategies to potentiate the immunoregulatory functions of MSCs and their EVs, offering promising opportunities for the development of more effective MSC-based therapies.

Diese kumulative Dissertation befasst sich mit den immunregulatorischen Eigenschaften von mesenchymaler Stromazellen (MSCs) und ihrer extrazellulären Vesikel (EVs). Die Studien bieten Einblick in die molekulare Antwort von MSCs bei der Exposition gegenüber verschiedenen pro-inflammatorischen Zytokinen, darunter Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α), Interleukin-1 beta (IL-1β) und Interferon-gamma (IFN-γ).  Dies trägt zu einem tieferen Verständnis der immunregulatorischen Funktion von MSCs bei. Im ersten Abschnitt verglichen wir die Auswirkungen von TNF-α, IL-1β und IFN-γ auf MSCs. Unsere Ergebnisse zeigen eine verstärkende Rückkopplung, bei der TNF-α und IL-1β die Expression des Interferon-Gamma-Rezeptors (IFN-γR) über den Nuklearfaktor "Kappa-Light-Chain-Enhancer" aktivierter B-Zellen (NF-κB) erhöhen. Durch diese Hochregulierung wird die Sensitivität von mesenchymalen Stammzellen gegenüber IFN-γ erhöht, was eine verstärkte Freisetzung von IL-8 bewirkt und die Rekrutierung von polymorphkernige Neutrophile (PMN) fördert. Darauf aufbauend wurden in der folgenden Studie die immunregulatorischen Eigenschaften von MSCs und ihren EVs untersucht, um die immunsuppressive Wirkung auf aktivierte T-Zellen zu verstärken und die Induktion regulatorischer T-Zellen in Abhängigkeit von PD-1 zu fördern. Wir konnten zeigen, dass EVs aus konditionierten MSCs nicht nur den Schweregrad der Transplantat-gegen-Wirt-Krankheit (GvHD) in einem Mausmodell vermindern, sondern auch das Überleben verlängern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Studien eine Konditionierungs-Strategie zur Potenzierung der immunregulatorischen Funktionen von MSCs und ihren EVs aufzeigt, welche vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung effektiverer MSC-basierter Therapien bietet.

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