Antidiabetic effect of the intrapancreatic application of mesenchymal stem cells through beta-cell regeneration

Abstract

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease due to beta-cell destruction and leads to hyperglycemia and lifelong insulin dependency. Mesenchymal stem cell (MSC) infusion was reported to control hyperglycemia and preserve pancreatic beta-cell function. Most studies employed MSC through the systemic route (intravenous route) of transplantation in T1D animal models. However, the systemic route subjected MSC to the lungs, resulting in microvasculature entrapment and decreased therapeutic outcome. In this study, we investigated beta-cell regeneration after hTERT-MSC infusion in partially pancreatectomized mice and the antidiabetic effect of ADMSC through two different routes; intravenous (IVR) and intrapancreatic route (IPR) in streptozotocin-induced diabetic NMRI nude mice.Both hTERT-MSC and ADMSC were characterized by specific cell surface markers (CD90, CD44, CD105, CD73) using a flow cytometer. Further, possible tumor formation was ruled out by transplanting 0.5 x 106 ADMSC, hTERT-MSC and PANC1 into the flank of NMRI nude mice. No tumor was observed with ADMSC and hTERT-MSC.IPR-hTERT-MSC-administration increased the frequency of newly formed insulin producing beta-cells (labelled with BrdU) along with the number of islets per section and insulin content in the residual pancreas than IVR and control after partial pancreatectomy. However, IPR also exhibited greater retention of MSC after eight days of transplantation compared to IVR. In the presence of MSC, murine EGF was enhanced and inflammatory molecules such as IFN-gamma and TNF-alpha were decreased. MSC induced higher expression of FOXA2, PDX-1, P-AKT and downregulated FoxO1. Therefore, present work confirmed the superior effect of IPR over IVR in proliferating beta-cells through AKT/ PDX-1/ FOXA2/ FoxO1 signaling pathway in partially pancreatectomized mice.Further, IPR-ADMSC-administration in STZ-induced diabetic NMRI nude mice ameliorated hyperglycemia as compared to IVR, STZ and control groups. In the IPR group, replicating beta-cells, the number of islets per section and the islet area was enhanced. ADMSC rescued the diabetic pancreas by stimulating the secreting of growth factor (EGF) and maintaining Th1/ Th2 balance by downregulation of IL-1beta, TNF-alpha and upregulation of IL-10. Physical contact of MSC with the damaged MIN6 cells provided higher protection than the paracrine effect in in-vitro studies. In summary, this study reveals the higher antidiabetic effect of ADMSC through DLK1/ EGF/ ERK/ FoxO1 signaling cascade in the IPR group compared to the IVR group. Diabetes mellitus Typ 1 (T1D) ist eine Autoimmunerkrankung, welche auf dem Untergang von beta-Zellen beruht und zu Hyperglykämie sowie lebenslanger Insulinabhängigkeit führt. Durch den Einsatz mesenchymaler Stammzellen (MSC) konnte die Hyperglykämie kontrolliert und die Funktion der pankreatischen beta-Zellen erhalten werden. Die meisten bisherigen Studien transplantierten die MSC über den systemischen Weg (intravenös) in das T1D-Modell. Auf diesem Weg gelangten die MSC in die Lungen, wo sie mikrovaskulär gefangen waren und das therapeutische Ergebnis verringerten. In der vorliegenden Studie wurde die Regeneration von beta-Zellen untersucht, nachdem hTERT-MSC in Mäuse mit partieller Pankreatektomie infundiert wurden, sowie die antidiabetische Wirkung von ADMSC. Deren Infusion erfolgte auf zwei unterschiedliche Wege in Streptozotocin-induzierte, diabetische NMRI-nude-Mäuse: intravenös und intrapankreatisch.Die spezifischen Oberflächenmarker (CD90, CD44, CD105, CD73) der hTERT-MSC und der ADMSC wurden mittels Durchflusszytometrie charakterisiert. Die Bildung von Tumoren wurde ausgeschlossen, indem 0.5 x 106 ADMSC, hTERT-MSC and PANC1 in die Flanke der NMRI-nude-Mäuse transplantiert wurden. Bei ADMSC und hTERT-MSC kam es zu keiner Tumorbildung.Im Gegensatz zu IVR und der Kontrolle konnte die Gabe von IPR-hTERT-MSC sowohl das Auftreten von neu gebildeten, insulinproduzierenden beta-Zellen (gekennzeichnet durch BrdU) steigern, als auch die Anzahl von Inseln pro Ausschnitt und den Insulingehalt im Restpankreas. IPR zeigte, im Vergleich zu IVR, acht Tage nach der Transplantation eine stärkere Persistenz von MSC. In Anwesenheit von MSC stieg die Expression von murinem EGF an; inflammatorische Moleküle, wie z.B. IFN-gamma und TNF-alpha, nahmen ab. MSC induzierten die stärkere Expression von FOXA2, PDX-1, P-AKT und regelten FoxO1 herunter. Daher untermauert die vorliegende Arbeit die Überlegenheit von IPR über IVR für proliferierende beta-Zellen durch die Signalwege AKT/PDX-1/FOXA2/FoxO1 in Mäusen mit unvollständiger Pankreatektomie.Außerdem verbesserte die Gabe von IPR-ADMSC, im Vergleich zu IVR, STZ und Kontrollen, den Blutzucker zusammen mit gesteigertem Pankreas- und Gesamtgewicht. Sich replizierende beta-Zellen, die Anzahl von Inseln pro Ausschnitt und Fläche der Inseln waren in der IPR Gruppe höher im Vergleich mit den anderen Gruppen. ADMSC retteten das diabetische Pankreas indem sie Wachstumsfaktoren (EGF) sezernierten und die Th1/Th2-Balance aufrecht erhielten, durch die Senkung von IL-1beta, TNF-alpha, sowie die Zunahme von IL-10. Direkter Kontakt von MSC zu geschädigten MIN6-Zellen lieferte stärkeren Schutz als der parakrine Effekt von MSC in-vitro. Diese Untersuchung zeigt, dass der antidiabetische Effekt von ADMSC durch die DLK1/ EGF/ ERK/ FoxO1-Signalwege in IPR stärker war, verglichen mit dem systemischen Weg.