Mesenchymal stem cells (MSCs) have been considered as an attractive tool for the therapy of diseases. Exosomes excreted from MSCs can reduce myocardial ischemia/reperfusion damage and protect against acute tubular injury. However, whether MSC-derived exosomes can relieve liver fibrosis and its mechanism remain unknown. Previous work showed that human umbilical cord-MSCs (hucMSCs) transplanted into acutely injured and fibrotic livers could restore liver function and improve liver fibrosis. In this study, it was found that transplantation of exosomes derived from hucMSC (hucMSC-Ex) reduced the surface fibrous capsules and got their textures soft, alleviated hepatic inflammation and collagen deposition in carbon tetrachloride (CCl4)-induced fibrotic liver. hucMSC-Ex also significantly recovered serum aspartate aminotransferase (AST) activity, decreased collagen type I and III, transforming growth factor (TGF)-β1 and phosphorylation Smad2 expression in vivo. In further experiments, we found that epithelial-to-mesenchymal transition (EMT)-associated markers E-cadherin-positive cells increased and N-cadherin- and vimentin-positive cells decreased after hucMSC-Ex transplantation. Furthermore, the human liver cell line HL7702 underwent typical EMT after induction with recombinant human TGF-β1, and then hucMSC-Ex treatment reversed spindle-shaped and EMT-associated markers expression in vitro. Taken together, these results suggest that hucMSC-Ex could ameliorate CCl4-induced liver fibrosis by inhibiting EMT and protecting hepatocytes. This provides a novel approach for the treatment of fibrotic liver disease.

Administration of bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) or secreted microvesicles improves recovery from acute kidney injury (AKI). However, the potential roles and mechanisms are not well understood. In the current study, we focused on the protective effect of exosomes derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells (hucMSC-ex) on cisplatin-induced nephrotoxicity in vivo and in vitro. We constructed cisplatin-induced AKI rat models. At 24 h after treatment with cisplatin, hucMSC-ex were injected into the kidneys via the renal capsule; human lung fibroblast (HFL-1)-secreted exosomes (HFL-1-ex) were used as controls. All animals were killed at day 5 after administration of cisplatin. Renal function, histological changes, tubular apoptosis and proliferation, and degree of oxidative stress were evaluated. In vitro, rat renal tubular epithelial (NRK-52E) cells were treated with or without cisplatin and after 6 h treated with or without exosomes. Cells continued to be cultured for 24 h, and were then harvested for western blotting, apoptosis and detection of degree of oxidative stress. After administration of cisplatin, there was an increase in blood urea nitrogen (BUN) and creatinine (Cr) levels, apoptosis, necrosis of proximal kidney tubules and formation of abundant tubular protein casts and oxidative stress in rats. Cisplatin-induced AKI rats treated with hucMSC-ex, however, showed a significant reduction in all the above indexes. In vitro, treatment with cisplatin alone in NRK-52E cells resulted in an increase in the number of apoptotic cells, oxidative stress and activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (p38MAPK) pathway followed by a rise in the expression of caspase 3, and a decrease in cell multiplication, while those results were reversed in the hucMSCs-ex-treated group. Furthermore, it was observed that hucMSC-ex promoted cell proliferation by activation of the extracellular-signal-regulated kinase (ERK)1/2 pathway. The results in the present study indicate that hucMSC-ex can repair cisplatin-induced AKI in rats and NRK-52E cell injury by ameliorating oxidative stress and cell apoptosis, promoting cell proliferation in vivo and in vitro. This suggests that hucMSC-ex could be exploited as a potential therapeutic tool in cisplatin-induced nephrotoxicity.

Mesenchymal stem cells (MSCs) can promote tumor growth in a mouse xenograft model, but the exact mechanism remains unclear. In this study, we investigated the effects of bone marrow MSC-derived exosomes (MSC-exosomes) on tumor growth in vitro and in vivo. Our results showed that MSC-exosomes promoted tumor growth in vivo. MSC-exosomes enhanced vascular endothelial growth factor (VEGF) expression in tumor cells by activating extracellular signal-regulated kinase1/2 (ERK1/2) pathway. Inhibition of ERK1/2 activation reserved the increase of VEGF level by MSC-exosomes. Our findings demonstrate a new mechanism through which MSC-exosome-mediated cell–cell interactions may contribute to tumor progression.

Abstract Human umbilical cord mesenchymal stem cells (hucMSCs) and their exosomes have been considered as potential therapeutic tools for tissue regeneration; however, the underlying mechanisms are still not well understood. In this study, we isolated and characterized the exosomes from hucMSCs (hucMSC-Ex) and demonstrated that hucMSC-Ex promoted the proliferation, migration, and tube formation of endothelial cells in a dose-dependent manner. Furthermore, we demonstrated that hucMSC-Ex promoted wound healing and angiogenesis in vivo by using a rat skin burn model. We discovered that hucMSC-Ex promoted β-catenin nuclear translocation and induced the increased expression of proliferating cell nuclear antigen, cyclin D3, N-cadherin, and β-catenin and the decreased expression of E-cadherin. The activation of Wnt/β-catenin is critical in the induction of angiogenesis by hucMSC-Ex, which could be reversed by β-catenin inhibitor ICG-001. Wnt4 was delivered by hucMSC-Ex, and the knockdown of Wnt4 in hucMSC-Ex abrogated β-catenin nuclear translocation in endothelial cells. The in vivo proangiogenic effects were also inhibited by interference of Wnt4 expression in hucMSC-Ex. Taken together, these results suggest that hucMSC-Ex-mediated Wnt4 induces β-catenin activation in endothelial cells and exerts proangiogenic effects, which could be an important mechanism for cutaneous wound healing. Significance Human umbilical cord mesenchymal stem cells (hucMSCs) and their exosomes have been considered as potential therapeutic tools for tissue regeneration; however, the underlying mechanisms are still not well understood. In this study, it is reported that hucMSC-Ex-mediated Wnt4 induces β-catenin activation in endothelial cells and exerts proangiogenic effects, which could be one of the important mechanisms responsible for cutaneous wound healing.

Exosomes are nanosized extracellular vesicles (EVs) that show great promise in tissue regeneration and injury repair as mesenchymal stem cell (MSC). MSC has been shown to alleviate diabetes mellitus (DM) in both animal models and clinical trials. In this study, we aimed to investigate whether exosomes from human umbilical cord MSC (hucMSC-ex) have a therapeutic effect on type 2 DM (T2DM). We established a rat model of T2DM using a high-fat diet and streptozotocin (STZ). We found that the intravenous injection of hucMSC-ex reduced blood glucose levels as a main paracrine approach of MSC. HucMSC-ex partially reversed insulin resistance in T2DM indirectly to accelerate glucose metabolism. HucMSC-ex restored the phosphorylation (tyrosine site) of the insulin receptor substrate 1 and protein kinase B in T2DM, promoted expression and membrane translocation of glucose transporter 4 in muscle, and increased storage of glycogen in the liver to maintain glucose homeostasis. HucMSC-ex inhibited STZ-induced β-cell apoptosis to restore the insulin-secreting function of T2DM. Taken together, exosomes from hucMSC can alleviate T2DM by reversing peripheral insulin resistance and relieving β-cell destruction, providing an alternative approach for T2DM treatment.

Exosomes are small biological membrane vesicles secreted by various cells, including mesenchymal stem cells (MSCs). We previously reported that MSC-derived exosomes (MSC-Ex) can elicit hepatoprotective effects against toxicant-induced injury. However, the success of MSC-Ex-based therapy for treatment of liver diseases and the underlying mechanisms have not been well characterized. We used human umbilical cord MSC-derived exosome (hucMSC-Ex) administrated by tail vein or oral gavage at different doses and, in engrafted liver mouse models, noted antioxidant and anti-apoptotic effects and rescue from liver failure. A single systemic administration of hucMSC-Ex (16 mg/kg) effectively rescued the recipient mice from carbon tetrachloride (CCl4)-induced liver failure. Moreover, hucMSC-Ex-derived glutathione peroxidase1 (GPX1), which detoxifies CCl4 and H2O2, reduced oxidative stress and apoptosis. Knockdown of GPX1 in hucMSCs abrogated antioxidant and anti-apoptotic abilities of hucMSC-Ex and diminished the hepatoprotective effects of hucMSC-Ex in vitro and in vivo. Thus, hucMSC-Ex promote the recovery of hepatic oxidant injury through the delivery of GPX1.

Mesenchymal stem cells (MSCs) play an important role in chemoresistance. Exosomes have been reported to modify cellular phenotype and function by mediating cell-cell communication. In this study, we aimed to investigate whether exosomes derived from MSCs (MSC-exosomes) are involved in mediating the resistance to chemotherapy in gastric cancer and to explore the underlying molecular mechanism. We found that MSC-exosomes significantly induced the resistance of gastric cancer cells to 5-fluorouracil both in vivo and ex vivo. MSC-exosomes antagonized 5-fluorouracil-induced apoptosis and enhanced the expression of multi-drug resistance associated proteins, including MDR, MRP and LRP. Mechanistically, MSC-exosomes triggered the activation of calcium/calmodulin-dependent protein kinases (CaM-Ks) and Raf/MEK/ERK kinase cascade in gastric cancer cells. Blocking the CaM-Ks/Raf/MEK/ERK pathway inhibited the promoting role of MSC-exosomes in chemoresistance. Collectively, MSC-exosomes could induce drug resistance in gastric cancer cells by activating CaM-Ks/Raf/MEK/ERK pathway. Our findings suggest that MSC-exosomes have profound effects on modifying gastric cancer cells in the development of drug resistance. Targeting the interaction between MSC-exosomes and cancer cells may help improve the efficacy of chemotherapy in gastric cancer.

Exosomes secreted by mesenchymal stem cells (MSCs) have shown repairing effects on several tissue injury diseases. In this study, we aimed to investigate the effects of exosomes released from human umbilical cord mesenchymal stem cells (hucMSCs) on the treatment of dextran sulfate sodium- (DSS-) induced inflammatory bowel disease (IBD) and to explore the underlying mechanism. We found that indocyanine green (ICG) labeled exosomes homed to colon tissues of IBD mice at 12 hours after injection. Exosomes significantly relieved the severity of IBD in mice as hucMSCs. The expression of IL-10 gene was increased while that of TNF-α, IL-1β, IL-6, iNOS, and IL-7 genes was decreased in the colon tissues and spleens of exosomes-treated mice. Furthermore, the infiltration of macrophages into the colon tissues was decreased by exosome treatment in IBD mice. In addition, we provided evidence that in vitro coculture with exosomes inhibited the expression of iNOS and IL-7 in mouse enterocoelia macrophages. Moreover, we found that the expression of IL-7 was higher in the colon tissues of colitis patients than that of healthy controls. Our findings suggest that exosomes from hucMSCs have profound effects on alleviating DSS-induced IBD and may exert their impact through the modulation of IL-7 expression in macrophages.

Abstract Background Hepatic stellate cells (HSCs) play a crucial role in the development of fibrosis in non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Small extracellular vesicles (sEV) act as mediators for intercellular information transfer, delivering various fibrotic factors that impact the function of HSCs in liver fibrosis. In this study, we investigated the role of lipotoxic hepatocyte derived sEV (LTH-sEV) in HSCs activation and its intrinsic mechanisms. Methods High-fat diet (HFD) mice model was constructed to confirm the expression of LIMA1. The relationship between LIMA1-enriched LTH-sEV and LX2 activation was evaluated by measurement of fibrotic markers and related genes. Levels of mitophagy were detected using mt-keima lentivirus. The interaction between LIMA1 and PINK1 was discovered through database prediction and molecular docking. Finally, sEV was injected to investigate whether LIMA1 can accelerate HFD induced liver fibrosis in mice. Results LIMA1 expression was upregulated in lipotoxic hepatocytes and was found to be positively associated with the expression of the HSCs activation marker α-SMA. Lipotoxicity induced by OPA led to an increase in both the level of LIMA1 protein in LTH-sEV and the release of LTH-sEV. When HSCs were treated with LTH-sEV, LIMA1 was observed to hinder LX2 mitophagy while facilitating LX2 activation. Further investigation revealed that LIMA1 derived from LTH-sEV may inhibit PINK1-Parkin-mediated mitophagy, consequently promoting HSCs activation. Knocking down LIMA1 significantly attenuates the inhibitory effects of LTH-sEV on mitophagy and the promotion of HSCs activation. Conclusions Lipotoxic hepatocyte-derived LIMA1-enriched sEVs play a crucial role in promoting HSCs activation in NAFLD-related liver fibrosis by negatively regulating PINK1 mediated mitophagy. These findings provide new insights into the pathological mechanisms involved in the development of fibrosis in NAFLD. Graphical Abstract