Fat tissues mainly regulate metabolism and reproduction. Adipocytes generate throughout life, with the massive expansion occurring during the postnatal period. Recently, adipose stromal vascular fraction (SVF)-derived white adipocyte progenitor cells are indentified, but the identity of bone marrow-derived white and brown adipocyte progenitor cells in vivo are unknown. Moreover, adipose SVF is not only containing adipocyte progenitors, but also a mixture of blood endothelial cells, immune cells, fibroblasts, pericytes, stromal cells and yet undefined stem/progenitor cells. Previous studies have shown that mesenchymal stem/progenitor cells in SVF can be cultured to successfully differentiate into adipocytes, pericytes, osteoblasts, chondrocytes and myocytes under optimized conditions. However, little is known about freshly isolated donor adipose SVF can readily provide blood endothelial cells to create a vascular network through a ‘disassembly and reassembly’ mechanism. Hence, we attempt to describe the existence of bone marrow-derived circulating adipose progenitor cells, and the cellular events occurring in the process of vascular network formation from freshly isolated adipose SVF as a source candidate for cell therapy and suggest their potential therapeutic applications.
Here, I divided this thesis into two chapters as follow: bone marrow-derived circulating progenitor cells fail to transdifferntiate into adipocytes in adult adipose tissues in mice (part I), and freshly isolated stromal vascular fraction from adipose tissue forms profound vascular network through the disassembly and reassembly of blood endothelial cells in mice (part II).
Part I. Abstract
Little is known about whether bone-marrow-derived circulating progenitor cells (BMDCPCs) can transdifferentiate into adipocytes in adipose tissues and play a specific role in expanding adipocyte number in adipose tissue growth. Using a mouse bone marrow transplantation model and a parabiosis model, we addressed this question with normal, high-fat-induced obese, rosiglitazone (ROSI)-treated, and granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF)-treated mice. Our extensive confocal microscopic analyses with specific co-immunostainings revealed that BMDCPCs did not transdifferentiate into either unilocular or multilocular adipocytes in adipose tissues regardless of location. Most BMDCPCs become resident and phagocytic macrophages in adipose tissues. Of these, the BMDCPCs-derived phagocytic macrophages could be misinterpreted as transdifferentiated multilocular adipocytes. Even in re-growing adipose tissue and wound-healing dermal tissue, BMDCPCs and bone marrow cells per se did not transdifferentiate into adipocytes. In comparison, in adipogenic medium in vitro, bone marrow cells did differentiate into multilocular, but not unilocular, adipocytes. These results imply that BMDCPCs cannot transdifferentiate into adipocytes and play a negligible role in expanding the number of adipocytes in the growth of adipose tissues.
Part II. Abstract
The ability of stromal vascular fraction (SVF)-derived cells to establish new blood vasculature is well known, but the underlying mechanisms and their interaction with the host in a new microenvironment are poorly understood. Here, we demonstrate that direct implantation of SVF derived from donor adipose tissue can create a profound vascular network through the disassembly and reassembly of blood endothelial cells (BECs) at the site of implantation. This neo-vasculature successfully established connection with recipient blood vessels to form a functionally perfused circuit. Addition of vascular growth factors to the SVF implant improved the efficiency of functional neo-vasculature formation. In contrast, spheroid culture of SVF prior to implantation reduced the capacity of vasculature formation, possibly caused by cellular senescence or alteration. Implanting SVF into the mouse ischemic hindlimb induced the robust formation of a local neo-vascular network and salvaged the limb. Moreover, the co-implantation of SVF prevented fat absorption in the subcutaneous adipose tissue (SAT) graft model. However, allograft of SVF failed to achieve proper new vasculature formation. Taken together, freshly isolated SVF can effectively induce new vessel formation through the dynamic reassembly of BECs and could be applied to achieve therapeutic neovascularization for relieving ischemia and preventing fat absorption in an autologous manner.
지방조직은 주로 생체 내에서 신진대사와 생식작용에 관련된 역할을 한다. 지방조직을 이루고 있는 지방세포들은 일생 동안 생체 내에서 만들어지게 되는데, 주로 출생 후의 시기에 집중적으로 발생한다. 최근에 지방조직 내 기질세포 (SVF) 유래의 백색지방전구세포의 존재가 밝혀지기는 하였으나, 생체 내에서 골수유래 지방전구세포의 존재는 아직 확인되지 않고 있다. 또한, 이 지방조직 내 기질세포는 지방전구세포를 포함할 뿐만 아니라 혈관내피세포, 면역 세포, 섬유모세포, 혈관주위세포 그리고 아직 미확인된 줄기세포 및 전구세포들을 포함하고 있는데, 이러한 세포들을 적절한 조건에서 배양하면 지방세포, 혈관주위세포, 골아세포, 연골세포, 근육세포로 성공적으로 분화되는 것이 보고되고 있다. 그러나 지방조직 내 기질세포에 풍부하게 있는 혈관내피세포를 분리하자마자 이식하여 기능적인 혈관을 만드는 기술은 아직 연구가 되지 않고 있다.
따라서 본 연구에서는 생체 내에서 골수유래 지방전구세포의 존재를 밝히고, 치료적 혈관신생의재료로써 신선하게 분리된 지방조직 내 기질세포가 이용가능한지를 밝히고자 하였다.
골수유래 전구세포 (BMDCPC) 가 지방조직에서 지방세포로 분화되는지와 성장하는 지방조직에서 지방세포가 증가하는 데에 특별한 역할을 하는지에 대해서는 많이 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 골수이식모델과 병체결합모델을 이용하여 정상상태, 식이유도비만상태, 로지글리타존 (rosiglitazone) 투여상태, 과립구 군락자극인자 (G-CSF) 투여상태의 생쥐에서 골수유래 전구세포가 지방조직에서 지방세포로 분화하는지 관찰하였다. 면역형광염색기법과 공초점 형광현미경을 이용하여 3차원적 이미징기법으로 실험 지방조직들을 관찰한 결과, 골수유래 전구세포들은 어떠한 조건에서도 지방조직 내에서 지방세포로 분화하지 않았고, 대부분의 골수유래 전구세포들은 지방조직 내에서 대식세포로 분화하여 존재하였다. 또한 이러한 골수유래 전구세포들과 골수세포들은 절제 후 재성장하는 지방조직이나 상처가 치유되는 과정의 피부조직에서도 지방세포로 분화하지 않았다. 이와는 반대로 골수세포들은 지방분화 조건에서 세포배양할 시에 다낭성의 지방세포로 분화가능 함을 확인하였다. 이러한 결과로 골수유래 전구세포는 생체 내에서 어떠한 조건에서도 지방세포로 분화하지 않으며, 재성장하는 지방조직에서도 지방세포를 증식하는 데에 역할을 미치지 않음을 밝혀내었다.
지방조직 내 기질세포가 신생혈관을 만들 수 있다는 것은 잘 알려져 있으나, 그 신생혈관을 만듦에 있어서 어떠한 기전을 통해서 만들어지는지, 그 공여된 세포와 수용자와의 관계에 있어 어떠한 미세환경이 새로이 만들어져서 역할을 하는지는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 지방조직 내 기질세포를 분리하자마자 배양을 거치지 않은 신선한 상태에서 바로 이식을 하였을 때에, 이식처에서 지방조직 내 혈관내피세포의 분리-재조합 과정을 통하여 많은 양의 혈관구조를 만들어 냄을 밝혔다. 이러한 신생혈관은 수용자의 혈관과 성공적으로 연결되어 혈액관류의 기능을 가지게 되는데, 혈관성장인자들과 대식세포의 도움이 있을 시에 이러한 과정이 더욱 촉진된다. 하지만 신선한 세포를 공여하지 않고 배양된 세포를 이식하였을 시에는 세포의 노화 및 변성 등으로 인하여 혈관신생의 능력이 떨어짐을 관찰하였다. 이러한 혈관신생의 과정은 하지허혈생쥐모델에 적용하였을 시에도 활발하게 일어나, 신선한 지방조직 내 기질세포가 치료적 혈관신생의 재료로 사용가능함을 밝혀내었다. 또한, 피하지방조직과 같이 지방조직 내 기질세포를 이식하였을 시에 지방이식 후에 혈액관류의 부족 등으로 인하여 일어나는 지방세포의 흡수과정을 지연시킬 수 있음을 관찰하였다. 하지만 지방조직 내 기질세포를 타가이식 하였을 경우에는 면역거부반응으로 인하여 적절한 혈관신생이 일어나지 않았다. 본 연구의 결과, 신선하게 분리된 지방조직 내 기질세포는 혈관내피세포의 분리-재조합 과정을 통하여 활발하게 신생혈관을 만들어, 허혈성질환에 혈관신생 치료법으로 적용할 수 있고, 성형외과적 시술에 있어 지방조직의 이식 시에 일어날 수 있는 지방세포의 흡수를 억제하는 데에도 사용될 수 있음을 밝혔다.
