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The synergistic effect of NELL1 and adipose-derived stem cells on promoting bone formation in osteogenesis imperfecta treatment - 18/06/20

Doi : 10.1016/j.biopha.2020.110235 
Yi Liu 1, Mingyan Ju 1, Zihan Wang, Jiaci Li, Chenyi Shao, Ting Fu, Yaqing Jing, Yuxia Zhao, Zhe Lv, Guang Li
 Department of Genetics, School of Basic Medical Sciences, Tianjin Medical University, Tianjin, 300070, People’s Republic of China 

Corresponding author at: Department of Genetics, School of Basic Medical Sciences, Tianjin Medical University, 22 Qixiangtai Road, Heping District, Tianjin, 300070, People’s Republic of China.Department of GeneticsSchool of Basic Medical SciencesTianjin Medical University22 Qixiangtai RoadHeping DistrictTianjin300070People’s Republic of China

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Highlights

Nell1 gene modification significantly enhanced osteogenic differentiation of ADSCs.
Systemically infused lenti-Nell1-ADSCs participated in bone formation.
rmNELL1 combined with ADSCs or lenti-Nell1-ADSCs markedly promoted bone formation.

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Abstract

Background

Osteogenesis imperfecta (OI) is a rare genetic disorder characterized by bone fragility and deformity. Mesenchymal stem cells (MSCs) infusion can improve bone performance mainly due to their differentiation into osteoblasts in OI therapy. The osteoinductive activity of NELL1 have benefited various bone defect and osteoporotic models by promoting bone formation. The present study investigated the efficacy of combined use of NELL1 and adipose-derived mesenchymal stem cells (ADSCs) in OI treatment.

Methods

Lentiviral vector carrying mouse Nell1 gene was constructed and lentivirus were used to infect ADSCs. The osteogenic capacity of MC3T3-E1 and ADSCs stimulated by recombinant mouse NELL1 protein (rmNELL1) and Nell1 gene genetically modified ADSCs (lenti-Nell1-ADSCs) were estimated by real-time quantitative PCR. Thirty adult male OI type I mice with single Col1a1 gene knockout were randomly divided into five groups and received intravenously injected PBS, rmNELL1 (1.25 mg/Kg), ADSCs (2 × 105 cells per mice), rmNELL1 (1.25 mg/Kg) combined with ADSCs (2 × 105 cells per mice), or lenti-Nell1-ADSCs (2 × 105 cells per mice) respectively. Six wildtype (WT) mice served as positive control. Bone formation was examined after 4 weeks using micro-CT, histological and immunohistochemical methods.

Results

Three osteoblast related genes of MC3T3-E1 and ADSCs were significantly up-regulated by rmNELL1 in vitro. Lenti-Nell1-ADSCs showed greatly enhanced osteogenic differentiation capacity. The infused lenti-Nell1-ADSCs could migrate to femur and differentiate into ALPL-positive cells. Systemic administration of rmNELL1 combined with ADSCs or lenti-Nell1-ADSCs markedly improved the femoral microstructure and promoted bone formation through increasing the ALPL and osteocalcin (OCN) expression, much better than mice that received single rmNELL1 or ADSCs. And Nell1 gene engineered ADSCs achieved slightly better outcomes than that of combinative use of rmNELL1 and ADSCs.

Conclusions

NELL1 and ADSCs exhibited synergistic effect on stimulating bone formation of OI mice, which might provide an alternative strategy in OI treatment. Compared with dose escalation or multiple administration of rmNELL1, lentivirus-mediated long term expression of NELL1 might be more feasible and convenient. However, further studies are needed to confirm the safety and optimize the therapeutic regime.

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Keywords : NELL1, Adipose-derived stem cells, Lentivirus, Osteogenesis, Osteogenesis imperfecta


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Vol 128

Article 110235- août 2020 Retour au numéro
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