豚モデルにおける外傷性脳損傷・出血性ショック後のエクソソームの早期投与は、神経保護に関連する転写変化を促進する

Early Treatment with Exosomes following Traumatic Brain Injury and Hemorrhagic Shock in a Swine Model Promotes Transcriptional Changes associated with Neuroprotection.

• Aaron M Williams
• Gerald A Higgins
• Umar F Bhatti
• Ben E Biesterveld
• Simone E Dekker
• Ranganath G Kathawate
• Yuzi Tian
• Zhenyu Wu
• Michael T Kemp
• Glenn K Wakam
• Baoling Liu
• Yongqing Li
• Benjamin Buller
• Hasan B Alam

抄録

背景:

我々は、外傷性脳損傷（TBI）および出血性ショック（HS）モデルにおいて、間葉系幹細胞（MSC）由来のエクソソーム（1時間以内に単回投与）を投与すると、神経保護効果があることを示した。しかし、この神経保護作用の正確なメカニズムは完全には解明されていない。本研究は、この治療法に関連する脳内のトランスクリプトーム変化を調べることを目的とした。

BACKGROUND: We have shown that administration of mesenchymal stem cell (MSC)-derived exosomes (single dose given within 1 hour) in models of traumatic brain injury (TBI) and hemorrhagic shock (HS) is neuroprotective. The precise mechanisms responsible for the neuroprotection are not fully understood. This study was designed to investigate the transcriptomic changes in the brain that are associated with this treatment strategy.

方法:

ヨークシャー豚（40～45kg）を、重度のTBI（12mmの皮質衝撃）とHS（推定総血量40％）を受けさせた。ショック1時間後、動物を無作為に割り付け（n=5/cohort）、乳化リンゲル（LR; 5mL）またはLRに懸濁したエクソソソーム（LR+EXO; 5mLのLRに1×10個のエクソソソーム粒子）のいずれかを投与した。動物はその後、追加のショック（1時間）を受け、その後、通常の生理食塩水による蘇生を行った。6時間の観察後、脳の腫脹（無傷側と比較して％増加）および病変の大きさ（mm）を評価した。傷害周囲の脳組織をRNAシークエンスのために処理し、高スループットRNA-seqデータ解析で解析し、対照群と実験群の間で結果を比較した。

METHODS: Yorkshire swine (40-45 kg) were subjected to a severe TBI (12-mm cortical impact) and HS (40% estimated total blood volume). One hour into shock, animals were randomized (n=5/cohort) to receive either lactated Ringer's (LR; 5mL) or exosomes suspended in LR (LR+EXO; 1 × 10 exosome particles in 5 mL LR). Animals then underwent additional shock (1 hr) followed by normal saline resuscitation. After 6 hours of observation, brain swelling (% increase compared to the uninjured side) and lesion size (mm) were assessed. Peri-injured brain tissue was processed for RNA sequencing, analyzed with high through-put RNA-seq data analysis, and results compared between control and experimental groups.

結果:

エクソソーム処理は、神経発生、神経発生、シナプス形成、神経可塑性に関連する遺伝子発現を有意に増加させた（p < 0.005）。また、脳卒中、神経炎症、神経上皮細胞増殖、非神経細胞増殖に関連する遺伝子を有意に減少させた（p < 0.005）。また、エクソソーム処理は、血液脳関門の安定性に関連する遺伝子を有意に増加させた（p＜0.005）。

RESULTS: Exosome treatment significantly increased (p < 0.005) gene expression associated with neurogenesis, neuronal development, synaptogenesis, and neuroplasticity. It also significantly reduced (p < 0.005) genes associated with stroke, neuroinflammation, neuroepithelial cell proliferation and non-neuronal cell proliferation contributing to reactive gliosis. Exosomes treatment also significantly increased (p < 0.005) the genes that are associated with the stability of blood-brain barrier.

結論:

エクソソームを単回投与すると、神経保護を示唆するトランスクリプトーム変化が誘導される。TBIの治療薬としてのエキソソームの使用は有望であるが、ヒトへの応用にはさらなる研究が必要である。

CONCLUSIONS: Administration of a single dose of exosomes induces transcriptomic changes suggestive of neuroprotection. Their use as a treatment of TBI is promising, and requires further investigation for human translation.

証拠のレベル:

該当なし（前臨床試験）。

LEVEL OF EVIDENCE: Not applicable (pre-clinical study).