The let-7f-5p-Nme4 pathway mediates tumor necrosis factor α-induced impairment in osteogenesis of bone marrow-derived mesenchymal stem cells

Effect of hypoxia on the expression of microRNA in extracellular vesicles of human umbilical cord stem cells in vitro

Mesenchymal stem cells (MSCs) derived extracellular vesicles, which have been shown to possess therapeutic effects for many diseases. However, how hypoxic conditions would affect exosomal microRNA expression in human umbilical cord MSCs (hUC-MSCs) is currently not investigated. This study aims to investigate the potential function of in vitro microRNAs of hUC-MSC cultured under normoxic and hypoxic conditions. Extracellular vesicles secreted from hUC-MSCs cultured in normoxic (21% O2) and hypoxic (5% O2) conditions were collected for microRNA identification. Zeta View Laser Scattering and transmission electron microscopy were used to observe the size and morphology of extracellular vesicles. qRT-PCR was performed to measure the expression of related microRNAs. The Gene Ontology and KEGG pathway were used to predict the function of microRNAs. Finally, the effects of hypoxia on the expression of related mRNAs and cellular activity were examined. This study identified 35 upregulated and 8 downregulated microRNAs in the hypoxia group. We performed target genes analysis to explore the potential function of these microRNA upregulated in the hypoxia group. Significant enrichment of the cell proliferation, pluripotency of stem cells, MAPK, Wnt, and adherens junction pathways were observed in the GO and KEGG pathways. Under hypoxic conditions, the expression levels of 7 target genes were lower than that of the normal environment. In conclusion, this study demonstrated for the first time that microRNA expression in extracellular vesicles of human umbilical vein stem cells cultured under hypoxia is different from that under normal conditions, and these microRNAs may be markers for detecting hypoxia.

Osteoimmunomodulatory Nanoparticles for Bone Regeneration

Treatment of large bone fractures remains a challenge for orthopedists. Bone regeneration is a complex process that includes skeletal cells such as osteoblasts, osteoclasts, and immune cells to regulate bone formation and resorption. Osteoimmunology, studying this complicated process, has recently been used to develop biomaterials for advanced bone regeneration. Ideally, a biomaterial shall enable a timely switch from early stage inflammatory (to recruit osteogenic progenitor cells) to later-stage anti-inflammatory (to promote differentiation and terminal osteogenic mineralization and model the microstructure of bone tissue) in immune cells, especially the M1-to-M2 phenotype switch in macrophage populations, for bone regeneration. Nanoparticle (NP)-based advanced drug delivery systems can enable the controlled release of therapeutic reagents and the delivery of therapeutics into specific cell types, thereby benefiting bone regeneration through osteoimmunomodulation. In this review, we briefly describe the significance of osteoimmunology in bone regeneration, the advancement of NP-based approaches for bone regeneration, and the application of NPs in macrophage-targeting drug delivery for advanced osteoimmunomodulation.

Gestörte Geweberegeneration durch entzündliche Prozesse bei Alterung, Seneszenz und degenerativen Erkrankungen – Interaktionen mit dem COVID-19-induzierten Zytokin-Sturm des angeborenen Immunsystems

Entzündung ist Bestandteil einer jeglichen Geweberegeneration. Verletzung und Schädigung von Geweben - inklusive exogene virale und bakterielle Infektionen - induzieren eine frühe pro-inflammatorische Phase, die durch Aktivierung von residenten und aus dem peripheren Blut und Knochenmark rekrutierten Zellen des angeborenen Immunsystems weiter propagiert wird. Diese Phase dient auch dem Clearing der Umgebung von vorgeschädigten Zellen und cell debris. Um eine erfolgreiche Geweberegeneration zu erreichen ist es essentiell, die Auflösung der Entzündung durch zeitgerechte Einleitung einer anti-inflammatorischen Phase der Geweberegeneration zu ermöglichen. Dieser Phase kann dann die Gewebeneubildung folgen, am Beispiel der Frakturheilung als „Modeling“ bezeichnet. Das schnell gebildete neue Gewebe wird in der letzten Phase der Regeneration an die physikalischen Bedingungen im Gewebeverband angepasst, bei der Frakturheilung „Remodeling“ genannt. Kann die zeitgerechte Auflösung der Entzündung nicht erfolgen, verhindert die persistierende Entzündung das Eintreten in die Phase der Gewebeneubildung und damit die erfolgreiche Regeneration. Es erfolgt dann entweder als „Notlösung“ eine Narbenheilung oder im Falle weiter ausufernder Entzündung eine Zerstörung des Gewebes. Die mit dem Alter sich verschlechternde Regenerationskapazität vieler Gewebe inklusive Knochen, Muskel und Sehnen ist unter anderem eine Folge der subklinischen chronischen Entzündung von Geweben, die Alterung („Inflammaging“) propagiert. Die Entzündung im Mikromillieu involviert neben den gewebe-typischen Zellen und deren adulten Progenitoren auch die Zellen des gewebeeigenen (residenten) angeborenen Immunsystems, allen voran Makrophagen. Auch diese unterliegen Alters-assoziierten Veränderungen wie Zellalterung und eine gesteigerte Suszeptibilität für pro-inflammatorische Überreaktionen. Chronische Inflammation mündet letztlich in die zelluläre Seneszenz, die begleitet ist von einem Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyp (SASP) mit hoher Produktion von Interleukinen 1, 6, 8, und anderen Zytokinen. Solange solche Zellen nicht in den geregelten Zelltod gehen, unterhalten sie die chronische Entzündung und damit die Voraussetzungen für insuffiziente Geweberegeneration. Eine COVID-19 Infektion triggert und unterhält identische inflammatorische Mechanismen und induziert zusätzlich Seneszenz. Dies kann in der Summe zu einem Zytokin-Sturm führen, der in einem circulus vitiosus eine zerstörerische Hyperinflammation unterhält und der umso schwerwiegender ausfällt je höher die Vorlast an seneszenten Zellen ist, wie das in den COVID-Risikopopulationen der Fall ist. Deren Zusammensetzung überlappt sehr stark mit unseren Risikopopulationen für degenerative muskuloskelettale Erkrankungen wie Osteoporose und Sarkopenie.