3D-cultured BMSC exosomes improve cerebral ischemia/reperfusion injury-induced neuronal apoptosis by regulating the microglia polarization

Abstract

Microglial activation is a key driver of neuroinflammation following cerebral ischemic reperfusion injury (CIRI). Exosomes (Exo) derived from bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) can regulate microglia, causing a transition from the pro-inflammatory M1 phenotype to the anti-inflammatory M2 phenotype, thereby reducing neuronal apoptosis in post-reperfusion injuries. However, the generation of superior-quality exosomes remains a significant hurdle in this field. We performed three-dimensional (3D) cultivation of BMSCs using a gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogel and collected the released exosomes. We conducted experiments using lipopolysaccharide (LPS)-induced BV2 cells, oxygen-glucose deprivation/reoxygenation (OGD/R)- induced HT22 cells, and CIRI mice to verify the effects of 3D-cultured exosomes in regulating microglial activation and alleviating neuronal apoptosis. Based on the cellular and animal experiments, we successfully demonstrated the remarkable efficacy of exosomes derived from 3D-cultured BMSC using a GelMA hydrogel in the context of CIRI. These exosomes effectively mitigated the conversion of microglia to the inflammatory phenotype and facilitated their transition to the anti-inflammatory phenotype, thereby reducing aseptic inflammatory reactions and neuronal apoptosis. This study demonstrated the effectiveness of GelMA-based 3D-cultured exosomes in treating CIRI and introduced innovative concepts and opportunities for addressing this condition with clinical applications.

Keywords

3D culture / CIRI / exosome / microglia / stem cell

References

[1] GBD 2016 Causes of Death Collaborators, Lancet 2017, 390, 1151.

[2] V. L. Feigin, G. Nguyen, K. Cercy, C. O. Johnson, T. Alam, P. G. Parmar, A. A. Abajobir, K. H. Abate, F. Abd-Allah, A. N. Abejie, G. Y. Abyu, Z. Ademi, G. Agarwal, M. B. Ahmed, R. O. Akinyemi, R. Al-Raddadi, L. N. Aminde, C. Amlie-Lefond, H. Ansari, H. Asayesh, S. W. Asgedom, T. M. Atey, H. T. Ayele, M. Banach, A. Banerjee, A. Barac, S. L. Barker-Collo, T. Bärnighausen, L. Barregard, S. Basu, N. Bedi, M. Behzadifar, Y. Béjot, D. A. Bennett, I. M. Bensenor, D. F. Berhe, D. J. Boneya, M. Brainin, I. R. Campos-Nonato, V. Caso, C. A. Castañeda-Orjuela, J. C. Rivas, F. Catalá-López, H. Christensen, M. H. Criqui, A. Damasceno, L. Dandona, R. Dandona, K. Davletov, B. de Courten, G. deVeber, K. Dokova, D. Edessa, M. Endres, E. J. A. Faraon, M. S. Farvid, F. Fischer, K. Foreman, M. H. Forouzanfar, S. L. Gall, T. T. Gebrehiwot, J. M. Geleijnse, R. F. Gillum, M. Giroud, A. C. Goulart, R. Gupta, R. Gupta, V. Hachinski, R. R. Hamadeh, G. J. Hankey, H. A. Hareri, R. Havmoeller, S. I. Hay, M. I. Hegazy, D. T. Hibstu, S. L. James, P. Jeemon, D. John, J. B. Jonas, J. Jóźwiak, R. Kalani, A. Kandel, A. Kasaeian, A. P. Kengne, Y. S. Khader, A. R. Khan, Y. H. Khang, J. Khubchandani, D. Kim, Y. J. Kim, M. Kivimaki, Y. Kokubo, D. Kolte, J. A. Kopec, S. Kosen, M. Kravchenko, R. Krishnamurthi, G. A. Kumar, A. Lafranconi, P. M. Lavados, Y. Legesse, Y. Li, X. Liang, W. D. Lo, S. Lorkowski, P. A. Lotufo, C. T. Loy, M. T. Mackay, H. M. Abd El Razek, M. Mahdavi, A. Majeed, R. Malekzadeh, D. C. Malta, A. A. Mamun, L. G. Mantovani, S. C. O. Martins, K. K. Mate, M. Mazidi, S. Mehata, T. Meier, Y. A. Melaku, W. Mendoza, G. A. Mensah, A. Meretoja, H. B. Mezgebe, T. Miazgowski, T. R. Miller, N. M. Ibrahim, S. Mohammed, A. H. Mokdad, M. Moosazadeh, A. E. Moran, K. I. Musa, R. I. Negoi, M. Nguyen, Q. L. Nguyen, T. H. Nguyen, T. T. Tran, T. T. Nguyen, D. N. Anggraini Ningrum, B. Norrving, J. J. Noubiap, M. J. O’Donnell, A. T. Olagunju, O. K. Onuma, M. O. Owolabi, M. Parsaeian, G. C. Patton, M. Piradov, M. A. Pletcher, F. Pourmalek, V. Prakash, M. Qorbani, M. Rahman, M. A. Rahman, R. K. Rai, A. Ranta, D. Rawaf, S. Rawaf, A. M. Renzaho, S. R. Robinson, R. Sahathevan, A. Sahebkar, J. A. Salomon, P. Santalucia, I. S. Santos, B. Sartorius, A. E. Schutte, S. G. Sepanlou, A. Shafieesabet, M. A. Shaikh, M. Shamsizadeh, K. N. Sheth, M. Sisay, M. J. Shin, I. Shiue, D. A. S. Silva, E. Sobngwi, M. Soljak, R. J. D. Sorensen, L. A. Sposato, S. Stranges, R. A. Suliankatchi, R. Tabarés-Seisdedos, D. Tanne, C. T. Nguyen, J. S. Thakur, A. G. Thrift, D. L. Tirschwell, R. Topor-Madry, B. X. Tran, L. T. Nguyen, T. Truelsen, N. Tsilimparis, S. Tyrovolas, K. N. Ukwaja, O. A. Uthman, Y. Varakin, T. Vasankari, N. Venketasubramanian, V. V. Vlassov, W. Wang, A. Werdecker, C. D. A. Wolfe, G. Xu, Y. Yano, N. Yonemoto, C. Yu, Z. Zaidi, M. El Sayed Zaki, M. Zhou, B. Ziaeian, B. Zipkin, T. Vos, M. Naghavi, C. J. L. Murray, G. A. Roth, N. Engl. J. Med. 2018, 379, 2429.

[3] A. S. Go, D. Mozaffarian, V. L. Roger, E. J. Benjamin, J. D. Berry, M. J. Blaha, S. Dai, E. S. Ford, C. S. Fox, S. Franco, H. J. Fullerton, C. Gillespie, S. M. Hailpern, J. A. Heit, V. J. Howard, M. D. Huffman, S. E. Judd, B. M. Kissela, S. J. Kittner, D. T. Lackland, J. H. Lichtman, L. D. Lisabeth, R. H. Mackey, D. J. Magid, G. M. Marcus, A. Marelli, D. B. Matchar, D. K. McGuire, E. R. Mohler,, C. S. Moy, M. E. Mussolino, R. W. Neumar, G. Nichol, D. K. Pandey, N. P. Paynter, M. J. Reeves, P. D. Sorlie, J. Stein, A. Towfighi, T. N. Turan, S. S. Virani, N. D. Wong, D. Woo, M. B. Turner, Circulation 2014, 129, 399.

[4] V. Saini, L. Guada, D. R. Yavagal, Neurology 2021, 97, S6.

[5] Q. Xia, G. Zhan, M. Mao, Y. Zhao, X. Li, Exp. Mol. Med. 2022, 54, 180.

[6] K. Saijo, C. K. Glass, Nat. Rev. Immunol. 2011, 11, 775.

[7] A. Bernaus, S. Blanco, A. Sevilla, Front. Cell. Neurosci. 2020, 14, 209.

[8] X. Li, Y. Liao, Y. Dong, S. Li, F. Wang, R. Wu, Z. Yuan, J. Cheng, Aging Dis. 2020, 11, 523.

[9] A. Jurcau, I. A. Ardelean, J. Integr. Neurosci 2021, 20, 727.

[10] X. Hu, P. Li, Y. Guo, H. Wang, R. K. Leak, S. Chen, Y. Gao, J. Chen, Stroke 2012, 43, 3063.

[11] X. Y. Xiong, L. Liu, Q. W. Yang, Prog. Neurobiol. (Oxford, U. K.) 2016, 142, 23.

[12] T. Zhang, Y. W. Lee, Y. F. Rui, T. Y. Cheng, X. H. Jiang, G. Li, Stem Cell Res. Ther. 2013, 4, 70.

[13] R. Zhang, Y. Liu, K. Yan, L. Chen, X. R. Chen, P. Li, F. F. Chen, X. D. Jiang, J. Neuroinflammation 2013, 10, 106.

[14] J. Boltze, A. Arnold, P. Walczak, J. Jolkkonen, L. Cui, D. C. Wagner, Front. Neurol. 2015, 6, 155.

[15] R. H. Lee, A. A. Pulin, M. J. Seo, D. J. Kota, J. Ylostalo, B. L. Larson, L. Semprun-Prieto, P. Delafontaine, D. J. Prockop, Cell Stem Cell 2009, 5, 54.

[16] E. Eggenhofer, F. Luk, M. H. Dahlke, M. J. Hoogduijn, Front. Immunol. 2014, 5, 148.

[17] X. Zhu, M. Badawi, S. Pomeroy, D. S. Sutaria, Z. Xie, A. Baek, J. Jiang, O. A. Elgamal, X. Mo, K. Perle, J. Chalmers, T. D. Schmittgen, M. A. Phelps, J. Extracell. Vesicles 2017, 6, 1324730.

[18] X. Liu, M. Zhang, H. Liu, R. Zhu, H. He, Y. Zhou, Y. Zhang, C. Li, D. Liang, Q. Zeng, G. Huang, Exp. Neurol. 2021, 341, 113700.

[19] S. Breslin, L. O’Driscoll, Drug Discovery Today 2013, 18, 240.

[20] R. Mittal, F. W. Woo, C. S. Castro, M. A. Cohen, J. Karanxha, J. Mittal, T. Chhibber, V. M. Jhaveri, J. Cell. Physiol. 2019, 234, 8352.

[21] T. J. Bartosh, J. H. Ylöstalo, A. Mohammadipoor, N. Bazhanov, K. Coble, K. Claypool, R. H. Lee, H. Choi, D. J. Prockop, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 13724.

[22] N. Wang, X. Li, Z. Zhong, Y. Qiu, S. Liu, H. Wu, X. Tang, C. Chen, Y. Fu, Q. Chen, T. Guo, J. Li, S. Zhang, M. A. Zern, K. Ma, B. Wang, Y. Ou, W. Gu, J. Cao, H. Chen, Y. Duan, J. Nanobiotechnol. 2021, 19, 437.

[23] J. Temple, E. Velliou, M. Shehata, R. Lévy, P. Gupta, Interface Focus 2022, 12, 20220019.

[24] C. Jensen, Y. Teng, Front. Mol. Biosci. 2020, 7, 33.

[25] K. Yue, G. Trujillo-de Santiago, M. M. Alvarez, A. Tamayol, N. Annabi, A. Khademhosseini, Biomaterials 2015, 73, 254.

[26] J. M. Baust, G. C. Buehring, L. Campbell, E. Elmore, J. W. Harbell, R. W. Nims, P. Price, Y. A. Reid, F. Simione, In Vitro Cell. Dev. Biol.: Anim. 2017, 53, 669.

[27] M. Han, H. Yang, X. Lu, Y. Li, Z. Liu, F. Li, Z. Shang, X. Wang, X. Li, J. Li, H. Liu, T. Xin, Nano Lett. 2022, 22, 6391.

[28] K. W. Witwer, D. C. Goberdhan, L. O’Driscoll, C. Théry, J. A. Welsh, C. Blenkiron, E. I. Buzás, D. Di Vizio, U. Erdbrügger, J. M. Falcón-Pérez, Q. L. Fu, A. F. Hill, M. Lenassi, J. Lötvall, R. Nieuwland, T. Ochiya, S. Rome, S. Sahoo, L. Zheng, J. Extracell. Vesicles 2021, 10, e12182.

[29] A. Shami-Shah, B. G. Travis, D. R. Walt, Extracell. Vesicles Circ. Nucleic Acids 2023, 4, 447.

[30] D. Yang, W. Zhang, H. Zhang, F. Zhang, L. Chen, L. Ma, L. M. Larcher, S. Chen, N. Liu, Q. Zhao, P. H. L. Tran, C. Chen, R. N. Veedu, T. Wang, Theranostics 2020, 10, 3684.

[31] Y. Shi, X. Wang, S. Zhang, H. Yin, H. Fan, Y. Tang, N. Yang, Extracell. Vesicles Circ. Nucleic Acids 2023, 4, 684.

[32] H. Kyykallio, A. V. S. Faria, R. Hartmann, J. Capra, K. Rilla, P. R. Siljander, J. Extracell. Vesicles 2022, 11, e12273.

[33] Y. Ye, T. Jin, X. Zhang, Z. Zeng, B. Ye, J. Wang, Y. Zhong, X. Xiong, L. Gu, Front. Cell. Neurosci. 2019, 13, 553.

[34] E. Z. Longa, P. R. Weinstein, S. Carlson, R. Cummins, Stroke 1989, 20, 84.

[35] E. Candelario-Jalil, R. M. Dijkhuizen, T. Magnus, Stroke 2022, 53, 1473.

[36] H. J. Li, D. Q. Li, Y. L. Zhang, X. F. Ding, H. T. Gao, Y. Zhu, J. Liu, L. X. Zhang, J. Chen, G. Chen, Y. Yu, Front. Pharmacol. 2023, 14, 1123387.

[37] Y. Li, M. Zhang, S. Li, L. Zhang, J. Kim, Q. Qiu, W. Lu, J. Wang, Asian J. Pharm. Sci. 2023, 18, 100783.

[38] Z. Yu, G. Su, L. Zhang, G. Liu, Y. Zhou, S. Fang, Q. Zhang, T. Wang, C. Huang, Z. Huang, L. Li, Mol. Med. 2022, 28, 142.

[39] C. He, S. Zheng, Y. Luo, B. Wang, Theranostics 2018, 8, 237.

[40] J. Yue, Z. S. Chen, X. X. Xu, S. Li, Acta Mater. Med. 2022, 1, 552.

[41] M. Zhang, R. Zhang, H. Chen, X. Zhang, Y. Zhang, H. Liu, C. Li, Y. Chen, Q. Zeng, G. Huang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 6486.

[42] M. Ravi, V. Paramesh, S. R. Kaviya, E. Anuradha, F. D. Solomon, J. Cell. Physiol. 2015, 230, 16.

[43] X. Hu, Z. Xia, K. Cai, J. Mater. Chem. B 2022, 10, 1486.

[44] J. H. Ylostalo, Cells 2020, 9, 2178.

[45] R. A. Haraszti, R. Miller, M. Stoppato, Y. Y. Sere, A. Coles, M. C. Didiot, R. Wollacott, E. Sapp, M. L. Dubuke, X. Li, S. A. Shaffer, M. DiFiglia, Y. Wang, N. Aronin, A. Khvorova, Mol. Ther. 2018, 26, 2838.

[46] A. B. van Spriel, Biochem. Soc. Trans. 2011, 39, 512.

[47] K. Oritani, X. Wu, K. Medina, J. Hudson, K. Miyake, J. M. Gimble, S. A. Burstein, P. W. Kincade, Blood 1996, 87, 2252.

[48] C. T. Ha, R. Waterhouse, J. Wessells, J. A. Wu, G. S. Dveksler, J. Leukocyte Biol. 2005, 77, 948.

[49] M. Kabuto, N. Fujimoto, T. Takahashi, T. Tanaka, Br. J. Dermatol. 2017, 176, 1204.

[50] M. Suzuki, I. Tachibana, Y. Takeda, P. He, S. Minami, T. Iwasaki, H. Kida, S. Goya, T. Kijima, M. Yoshida, T. Kumagai, T. Osaki, I. Kawase, J. Immunol. 2009, 182, 6485.

[51] R. L. Bailey, J. M. Herbert, K. Khan, V. L. Heath, R. Bicknell, M. G. Tomlinson, Biochem. Soc. Trans. 2011, 39, 1667.

[52] O. Barreiro, M. Yáñez-Mó, M. Sala-Valdés, M. D. Gutiérrez-López, S. Ovalle, A. Higginbottom, P. N. Monk, C. Cabañas, F. Sánchez-Madrid, Blood 2005, 105, 2852.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). BMEMat published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Shandong University.