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Enhancing the therapeutic efficacy of mesenchymal stem cell transplantation in diabetes: Amelioration of mitochondrial dysfunction-induced senescence - 11/11/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115759 
Hyun Jik Lee b, c, 1, Chang Woo Chae a, 1, Ho Jae Han a,
a Department of Veterinary Physiology, College of Veterinary Medicine, Research Institute for Veterinary Science, and BK21 Four Future Veterinary Medicine Leading Education & Research Center, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea 
b Laboratory of Veterinary Physiology, College of Veterinary Medicine and Veterinary Medicine Center, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Republic of South Korea 
c Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine (ISCRM), Chungbuk National University, Cheongju 28644, Republic of South Korea 

Correspondence to: Department of Veterinary Physiology, College of Veterinary Medicine, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of South Korea.Department of Veterinary Physiology, College of Veterinary Medicine, Seoul National UniversitySeoul08826Republic of South Korea

Abstract

Mesenchymal stem cell (MSC) transplantation offers significant potential for the treatment of diabetes mellitus (DM) and its complications. However, hyperglycemic conditions can induce senescence and dysfunction in both transplanted and resident MSCs, thereby limiting their therapeutic potential. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress are key contributors to this process in MSCs exposed to hyperglycemia. As such, strategies aimed at mitigating mitochondrial dysfunction could enhance the therapeutic efficacy of MSC transplantation in DM. In this review, we provide an updated overview of how mitochondrial dysfunction mediates MSC senescence. We present experimental evidence for the molecular mechanisms behind high glucose-induced mitochondrial dysfunction in MSCs, which include impairment of mitochondrial biogenesis, mitochondrial calcium regulation, the mitochondrial antioxidant system, mitochondrial fusion-fission dynamics, mitophagy, and intercellular mitochondrial transfer. Furthermore, we propose potential pharmacological candidates that could improve the efficacy of MSC transplantation by enhancing mitochondrial function in patients with DM and related complications.

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Graphical Abstract




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Highlights

Molecular mechanisms of high glucose-induced mitochondrial dysfunction in MSCs.
High glucose induces mitochondrial dysfunction-associated senescence in MSCs.
Aging due to mitochondrial dysfunction reduces the efficacy of MSCs therapy in diabetes.
Pharmacological candidates that improve mitochondrial function in hyperglycemic MSCs.

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Abbreviations : AD-MSCs, BM-MSCs, BNIP3, Cul3, DAG, DM, Drp1, ER, ERRα, FGF21, FIS1, FOXO3a, FUNDC1, GDM, HIF1α, HO1, HSPA1L, Keap1, MAPK, MCU, MICU1, MSC, mtROS, NAC, Nrf2, OPA1, OXPHOS, PDGF-D, PGC1α, PINK1, PPARγ, PrPc, RBX1, ROS, SGLT2, SIRT, T1DM, T2DM, TFAM, TGM2, TWIST1, UCB-MSCs

Keywords : Diabetes, Mesenchymal Stem Cell, Mitochondrial dysfunction, Senescence, Stem Cell transplantation


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Vol 168

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