The role of heme oxygenase-1 in differentiation of human induced pluripotent stem cells into skeletal muscle cells and their potential use in muscle regeneration in the murine in vivo model

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) są to komórki otrzymywane drogą manipulacji genetycznych poprzez wprowadzenie nadekspresji czynników transkrypcyjnych aktywnych w zarodkowych komórkach macierzystych. Ich potencjał do różnicowania może być wykorzystany między innymi do wytworzenia komórek mięśni szkieletowych. Wcześniejsze badania naszego zespołu pokazują, że na różnicowanie mysich komórek mięśniowych hamująco wpływa oksygenaza hemowa-1 (HO-1), antyoksydacyjny enzym rozkładający hem. Zauważono także podwyższony poziom HO-1 w mięśniach zarówno w modelu mysim dystrofii mięśniowej Duchenne’a (mysz mdx), jak i komórkach ludzkich izolowanych od pacjentów chorych na dystrofię. Efekt jaki HO-1 wywiera na różnicowanie ludzkich komórek mięśniowych wymaga dalszych badań do czego dobrym narzędziem są iPSC.Celem pracy było różnicowanie ludzkich komórek iPS (hiPSC) mających nadekspresję HO-1 do komórek mięśni szkieletowych oraz ich charakteryzacja pod względem ekspresji genów mięśniowo specyficznych, miRNA oraz markerów powierzchniowych. Szczególne zainteresowanie skupione zostało na uzyskaniu ludzkich komórek mSC, ponieważ mają potencjał regeneracyjny i mogą posłużyć w celach terapeutycznych. W badaniach, podano także komórki mSC do mięśni myszy NOD/Scid aby sprawdzić ich wpływ na funkcjonowanie mięśnia.Uzyskane wyniki jednoznacznie pokazują, że hiPSC linii kontrolnej oraz z nadekspresją HO-1 różnicują do komórek satelitarnych (mSC), mioblastów oraz łączą się ze sobą tworząc miotuby. Co więcej, wykazują one ekspresję charakterystycznych markerów takich jak geny mięśniowo-specyficzne MRFs (MyoD, MyoG oraz Pax7) oraz mikroRNA (miRNA-133a, -133b, -1, -206). Zauważono, że HO-1 wpływa na różnicowanie hiPSC zmniejszając efektywność fuzji komórek a także obniżając poziom ekspresji MyoD, MyoG, Pax7 oraz miRNA-133a, -133b, -1, -206. Badano także panel markerów powierzchniowych z uwzględnieniem specyficznie ludzkich CD56 oraz CD82, na których podstawie uznano, że w dniu ósmym różnicowania mSC powstają najbardziej wydajnie. Jednak w tym przypadku, HO-1 nie wpłynęła na ilość powstałych mSC określonych przez analizę cytometryczną. Ludzkie komórki mięśniowe podane do mięśni myszy NOD/Scid po uszkodzeniu kardiotoksyną nie uległy integracji z tkanką i nie zostały wykryte po 30 dniach trwania eksperymentu. Jednakże odnotowano znaczące zmiany w ekspresji zarodkowej formy miozyny (eMHC) oraz procencie regenerujących włókien. Podanie komórek z nadekspresją HO-1 było skorelowane z obniżeniem poziomu eMHC co powiązane z obniżonym procentem regenerujących włókien, może świadczyć o mniej wydajnej regeneracji mięśnia. Podsumowując, nasze badania pokazują, że HO-1 wpływa hamująco na różnicowanie w warunkach hodowli in vitro oraz po podaniu komórek in vivo. Wyniki te, oraz znaczenie HO-1 w prawidłowej regeneracji mięśni wskazują, że odpowiednia regulacja ekspresji HO-1 może być właściwą strategią, jednak użycie metody w celach terapeutycznych wymaga dalszych badań.

Induced pluripotent stem cells (iPSC) are cells obtained by genetic manipulations by introducing overexpression of transcription factors active in embryonic stem cells. Their potential for differentiation can be used for example to achieve skeletal muscle cells. Our earlier studies show that heme oxygenase-1 (HO-1), an antioxidative enzyme which degrades heme, decreases also the differentiation ability of muscle cells. What is more, level of HO-1 is elevated in muscles isolated from mdx mice (model of Duchenne’a muscular dystrophy DMD) and in cells from DMD patients. Effect which HO-1 exerts on human muscle cells differentiation require further research in which iPSC can be used.The aim of the study was to differentiate human iPS cells with overexpression of HO-1 into mSC and investigate expression of muscle specific gene, miRNA and surface markers. Obtaining mSC from iPSC was the main goal in the experiment due to the fact that mSCs have confirmed regenerative potential. We also wanted to check if injection of mSCs into damaged muscle of NOD/Scid mice improve muscles functionality.Obtained results clearly show that control line of hiPSC and hiPSC with overexpression of HO-1 can be differentiated into muscle satellite cells (mSC), myoblasts and have an ability to fuse into myotubes. Moreover, cells express characteristic markers: muscle regulatory transcription factors MRFs (MyoD, MyoG and Pax7) and miRNA (miRNA-133a, -133b, -1, -206). HO-1 have an impact on hiPSC differentiation by decreasing cell fusion ability and expression of MyoD, MyoG, Pax7 and miRNA-133a, -133b, 1-, 206. The level of surface markers expression including human specific CD56 and CD82 was also investigated. Based on the pattern of surface markers the most effective formation of mSC can be observed in the day 8th of differentiation. However there was no differences visible in the mSC creation between control cell line and with overexpression of HO-1.Human muscle cells injected into the cardiotoxin damaged muscle of NOD/Scid mice did not integrate with the tissue and cannot be detected after 30 days of experiment. Nevertheless there are significant changes in the embryonic myosin heavy chain (eMHC) expression and percentage of regenerative fibers. Injection of cells with overexpression of HO-1 is associated with decreased level of eMHC. This results, in combination with decreased percentage of regenerative fibers in the same group, show less efficient muscles regeneration.To sum up, our research shows, that HO-1 inhibits differentiation in cell culture in vitro and after cell injection in vivo.These results, as well as the importance of HO-1 in normal muscle recovery indicate that appropriate regulation of HO-1 expression may be the right strategy, but the use of the method for therapeutic purposes requires further investigation.