The Impact of Membrane Phospholipid Composition and Extracellular Vesicles on the Immunoregulative Properties of Human Mesenchymal Stromal Cells

Abstract

Human mesenchymal stromal cells (hMSCs) are currently used in many advanced cellular therapies. The clinical use of hMSCs requires extensive cell expansion, but the consequences of expansion, especially at the molecular level, are not fully understood. The therapeutic effect of hMSCs is mediated paracrine interactions with immune cells modulating both innate and adaptive immune response. Membrane glycerophospholipids (GPLs) provide precursors for signaling lipids, which modulate cellular functions, including immunological effects.

In this thesis, I investigated the effect of the donor’s age and cell doublings on the GPLs, gene expression and microRNA (miRNA) profiles of human bone marrow MSCs (hBM-MSCs). In order to gain more insight into the functional mechanisms of hMSCs, I investigated the extracellular vesicle secretion from human umbilical cord blood derived MSCs, and evaluated their immunosuppressive capacity in vitro as well as their possible immunomodulative and protective effect in kidney ischemia-reperfusion injury in vivo.

In this study, I was able to demonstrate that the hBM-MSCs, harvested from 5 young adults and 5 old donors, showed clear compositional changes in their GPL profiles during expansion. Most strikingly, the molar ratio of arachidonic acid (20:4n-6) containing species of phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine accumulated, while the species containing monounsaturated fatty acids decreased during passaging. The lipid changes correlated with the decreased immunosuppressive capacity of hBM-MSCs suggesting a connection between lipid signaling and immunomodulatory functions.

Although there were clear alterations in gene expression levels and lipid profiles, the miRNA expression levels were more stable. The expression levels of 37 miRNAs were changed in the old donors group and 36 miRNAs were changed in the young donors group. Of these, only 12 were differentially expressed in both young and old donor BM-MSCs and their predicted target mRNAs, the expression of which was changed, were mainly linked to cell proliferation and senescence. This thesis provides a detailed analysis of molecular changes during MSC expansion. The combination of in vitro and in vivo models accompanied with a detailed analysis of molecular characteristics is essential to understand the complexity of the MSC paracrine mechanisms and functionality.

Mesenkymaaliset stroomasolut (MSC) ovat aikuisten kantasoluja, joilla on osoitettu olevan kyky vaimentaa elimistössä käynnistynyttä puolustusreaktiota. Näitä soluja käytetään tällä hetkellä kokeellisena hoitoa esimerkiksi kantasolusiirtoihin liittyvässä käänteishyljintäsairaudessa, missä siirteen valkosolut ovat hyökänneet potilaan omia kudoksia vastaan aiheuttaen monimuotoisia usein vakaviakin iho-, maksa- ja suolisto-oireita. Solujen rasva-aineiden tehtävä ei ole vain toimia solujen kalvorakenteiden rakennuspalikoina tai energiavarastoina. Monet solujen sisäistä ja ulkoisista viesteistä kuljetetaan erilaisten aktiivisten vesiliukoisten rasva-ainemolekyylien välityksellä. Useimmat näistä niin kutsutuista bioaktiivisista lipideistä valmistetaan solukalvojen rasva-aineista.

Soluhoitoja varten mesenkymaalisia kantasoluja tulee viljellä keinotekoisissa olosuhteissa elimistön ulkopuolella. Tässä väitöskirjassa tutkittiin solukalvojen rasva-aineiden määräsuhtiessa, geenien ilmentymisessä ja geenien ilmentymistä säätelevien pienten RNA molekyylien (mikroRNA) ilmentymisessä tapahtuvia muutoksia mesenkymaalisten stroomasolujen kasvatuksen ja vanhenemisen aikana. Osoitin tiettyjen monityydyttymättömien rasvahappojen määräsuhteiden muutosten olevan yhteydessä solujen kykyyn hillitä T-solujen jakautumista, merkkinä solujen puolustusreaktiota hillitsevästä ominaisuudesta.

Solujen välisessä viestinnässä keskeisessä roolissa ovat pienet kalvorakkulat, vesikkelit. Mesenkymaalisten stroomasolujen on osoitettu vaikuttavan immuunipuolustuksen soluihin vesikkeleitä vapauttamalla. Tässä tutkimuksessa osoitin, että mesenkymaalisten stroomasolujen tuottamilla vesikkeleillä on kyky hillitä tulehdusreaktiota.

Mesenkymaalisten stroomasolujen ominaisuksien ja toimintamekanismien tuntemus on välttämätöntä turvallisten ja tehokkaiden soluterapiatuotteiden kehittämiseksi.