编者按

       前面已经有学者研究NAD+可以促进干细胞活性:

京东荣耀归来,《Cell》杂志:NAD+能够激活造血干细胞,有助白血病和淋巴瘤

       这次中国科学家发现NMN可直接促进间充质干细胞的扩增,刺激成骨分化并抑制脂肪细胞分化,减缓骨流失。简而言之就是NMN让人多长骨头少长肉。

       间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)是干细胞家族的“明星成员”,是一种具有自我复制能力和多向分化潜能的成体干细胞,能够分化成成熟细胞如成骨细胞,软骨细胞和脂肪细胞等[1]。这种灵活分化的能力使MSC在组织修复与再生等领域备受关注。然而现有的MSC培养方法限制了MSC自我更新的潜力,导致治疗结果不理想。

       近日,中山大学附属第三医院的彭亮和谢婵研究团队探讨了NMN通过调节间充质干细胞(MSC)在治疗年龄相关疾病中的作用,他们的研究成果发表在Cell Death & Diease 杂志上[2]。

 

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       首先,研究者分别从体外和体内研究了NMN对小鼠间充质干细胞(MSC)的扩增和分化有无影响。

       对NMN体外培养的小鼠BM细胞进行CFU-F测定显示:

 

NMN剂量依赖性地促进了MSC的扩增;

 

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       体外结果显示,NMN呈剂量依赖性促进MSC的扩增

 

       而对给予NMN 3个月的小鼠的免疫表型MSC分析结果显示:

       与对照组(0.30±0.021%)相比,LepR+、CD45- 、Ter119-、 CD31-、 CD51+ 等基质细胞的表达率增加至0.51±0.024%,NMN显著促进了小鼠体内外MSC的扩增。

 

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体内结果显示,NMN提高了MSC的生物标志物

 

       现阶段,大多数MSC的扩增方法需要频繁和长时间的传代培养,培养过程中容易导致增殖性衰竭、衰老、分化能力受损以及自发转化导致的异质性[3]。而这项研究表明,NMN具有促进MSC扩增的能力,从而避免了体外培养的种种缺陷,减少长时间的传代培养。

       研究者接着探究了NMN对MSCs分化的影响,MSC在体外特定条件下可以定向诱导分化为成骨细胞、脂肪细胞和成软骨细胞等,目前尚不清楚MSC在体内的特异性分化条件。

 

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       在体外实验中,研究者在分化期间将NMN培养的CFU-F集落诱导成成骨细胞和脂肪细胞谱系,结果显示,NMN处理的培养物中有更多的成骨细胞50%(对照组中约30%),且脂肪细胞的分化显着减少,浓度在0.75-2.25μM之间。qPCR结果更好地分析了这一现象产生的原因:NMN培养的细胞中,促进骨生成的关键转录因子(RunX2)的表达显着增加,而关键脂肪生成转录因子(Pparg、Adipq28等)的表达水平下降。这表明NMN能刺激成骨分化,并抑制脂肪细胞的分化。

 

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①图上:成骨细胞增加;

②图下:脂肪细胞降低。

 

       而在体内,NMN对不同年龄段的小鼠改变分化比例的作用也不同。对老年小鼠(12月龄)而言,体内结果与先前的体外结果一致,NMN处理的MSCs以脂肪细胞谱系为代价,向骨谱系的偏向分化,在抑制脂肪细胞的同时刺激了老年小鼠的骨生成。

       当骨髓间充质干细胞以成骨为代价异常分化为脂肪细胞时,就会发生骨骼衰老和骨质疏松症,导致骨形成受损和骨量减少[4],而NMN能够逆转这一过程,为预防和治疗老年骨科疾病提供可能。

       而对成年小鼠(2月龄)而言, NMN没有直接改变成年小鼠的骨脂平衡,但对受辐射损伤的成年小鼠有直接影响:电离辐射是导致骨质流失和MSCs损伤的重要因素,有研究发现,暴露于亚致死剂量的辐射会导致成骨细胞减少,骨髓中基质细胞衍生的脂肪细胞增多[5]。实验中用NMN处理受辐射的MSC后,通过对骨切片的形态学分析,以及相关成骨基因和脂肪形成基因mRNA的表达分析发现,NMN有效促进了成年小鼠成骨细胞的恢复,并抑制MSC分化为脂肪。

 

 

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①成骨基因RunX2和Wnt4的表达随辐射降低约50%,

而在NMN处理后增强五倍;

②脂肪形成基因Adipq和Pparg的表达随辐射增加约2倍,

而在NMN处理后受抑制。

 

       并且,研究人员发现NMN对体内受辐射的MSCs有直接的保护作用,能够通过促进MSCs的扩增来保护其免受辐射诱导的衰竭。

 

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 NMN处理使受辐射的MSC的CFU-F恢复到对照组水平

 

       最后,研究者对NMN调节骨髓间充质干细胞成骨和脂肪生成的机制做出了研究,他们根据“12个月龄的NMN组小鼠分选的基质细胞中,SIRT1蛋白质的表达增加了约两倍”这一现象,进一步测试了NMN对15个月龄小鼠中MSCs的作用是否需要SIRT1,用SIRT1抑制剂烟酰胺进行体外培养后,MSCs的CFU-F和成骨能力受到抑制,而脂肪形成能力增加。ColA1floxstop-flox-SIRT1小鼠是一种在肢体MSC中过表达SIRT1蛋白的小鼠模型,与NMN组小鼠类似,这种小鼠的脂肪生成下降了33%,这些结果都表明SIRT1对于NMN促进骨生成和抑制MSC的脂肪形成至关重要。

 

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油红S染色结果显示,ColA1小鼠的股骨切片中脂肪细胞数低于对照

 

 总结:

       这项研究结果表明,NMN可以有效促进体内外MSCs的扩增,避免了体外培养的各种缺陷,有希望应用于改善MSCs的治疗效果,扩大其临床应用。此外,NMN还能促进老年小鼠与受辐射的成年小鼠的骨化,减缓衰老过程中的骨骼流失,是一种潜在的治疗MSCs相关老年疾病的新手段。

 

参考文献

[1] Erices, A., J.J. Conget P Fau - Minguell, and J.J. Minguell, Mesenchymal progenitor cells in human umbilical cord blood. (0007-1048 (Print)).

[2] Jie Song, Jing Li, - Chan Xie and Liang Peng, Nicotinamide mononucleotide promotes osteogenesis and reduces adipogenesis by regulating mesenchymal stromal cells via the SIRT1 pathway in aged bone marrow. 

[3] Aguilar, S. et al. Murine but not human mesenchymal stem cells generate osteosarcoma-like lesions in the lung. Stem Cells 25, 1586–1594 (2007)

[4] Mandrup, S. & Lane, M. D. Regulating adipogenesis. J. Biolo. Chem. 272, 5367–5370 (1997)

[5] Zhou, B. O., Yue, R., Murphy, M. M., Peyer, J. G. & Morrison, S. J. Leptin-receptorexpressing mesenchymal stromal cells represent the main source of bone formed by adult bone marrow. Cell Stem Cell 15, 154–168 (2014).