Re: 줄기세포 치료.. 일주기 리듬 적용치료법 탐구 2025년

[문형철]

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• Published: 23 February 2025

Circadian rhythms in stem cells and their therapeutic potential

• Napasiri Putthanbut, 
• Paul Alexis Bourgade Su, 
• Jea-Young Lee & 
• Cesario V. Borlongan 

Stem Cell Research & Therapy volume 16, Article number: 85 (2025) Cite this article

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Abstract

Circadian rhythms are present in almost all cells, but their existence in stem cells has remains not well established. Circadian clock appears to be closely associated with differentiated mature cells and rarely detected in immature embryonic stem cells. Recent evidence reveals the presence of circadian genes and rhythmic physiologic activities in stem cells as well as stem cell-derived extracellular vesicle (EV) characteristics. The circadian clock entails diverse physiologic and pathological mechanisms underlying cell fate. Integration of circadian rhythm to clinical applications, such as chronotherapy, chrono-biomarker, and environment modification, may facilitate therapeutic outcomes of stem cell-based regenerative medicine. Understanding circadian rhythms in stem cells can optimize stem cell-based therapies by determining the best times for harvesting and administering stem cells, thereby enhancing therapeutic efficacy. Further research into the circadian properties of stem cells will refine stem cell-based therapies, contributing to advancements in regenerative medicine.

초록

생체 리듬은 

거의 모든 세포에 존재하지만, 

줄기세포에서의 존재는 아직 명확히 규명되지 않았습니다. 

생체 리듬 시계는 

분화된 성숙 세포와 밀접하게 연관되어 있으며, 

미성숙 배아 줄기세포에서는 거의 검출되지 않습니다. 

최근 연구 결과는 

줄기세포 및 줄기세포 유래 세포외 소포(EV) 특성에서 

생체 리듬 유전자와 리듬적 생리 활동의 존재를 밝혀냈습니다. 

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01735-1

stem cell-derived extracellular vesicle (EV)

세포외 소체(EVs)의 주요 유형

EVs는 생성 방식과 크기에 따라 크게 분류됩니다:

1. 엑소좀

• 기원: 다중 소포체(MVBs) 내에서 형성되어 세포막과 융합되어 내막 소포를 방출합니다.
• 크기: ~30–150 nm.
• 내용물: 단백질, RNA(miRNA, mRNA), 지질.
• 기능: 세포 간 통신, 특히 면역 반응, 암, 줄기 세포 신호 전달.
• 붉은색/분홍색으로 표시되며 융합 방출 과정이 표시됨.

2. 미세 소포(MVs)

• 기원: 세포막에서 직접 분열하여 형성됩니다.
• 크기: 약 100–1000 nm.
• 내용물: 단백질, 지질, 핵산.
• 기능: 신호 전달, 응고, 세포 간 통신.
• 막에서 분열하는 모습, 하단 오른쪽.

3. 아포토시스 체

• 기원: 아포토시스 과정을 겪는 세포에서 방출됩니다.
• 크기: 500–2000 nm.
• 내용물: 세포 소기관, 염색질, 분열된 DNA.
• 기능: 식세포에 의해 죽은 세포를 제거합니다.

EV의 기원별 출처

• HDEVs (인간 유래 EV): 포유류 또는 인간 세포에서 유래합니다.
• PDEVs (식물 유래 EV): 식물 세포에서 유래합니다.
• MBDEVs (미생물/세균 유래 EV): 미생물 출처에서 유래하며, 세균 단백질, DNA, 대사물을 포함합니다.

EV 분비 경로

• 초기 엔도좀에서 시작되어 후기 엔도좀/MVBs로 성숙합니다.
• 소포체(엑소좀)는 분류되어 세포외 공간으로 분비됩니다.
• 미세소포체는 외부로 돌출되어 형성됩니다.
• 리소좀은 분비되지 않은 내용을 분해할 수 있습니다.

수용 세포에 의한 EV 흡수

• EV는 수용 세포와 다음과 같은 방식으로 상호작용합니다:

이 흡수는 화물 전달(RNA, 단백질 등)을 수신 세포로 허용하며, 세포 행동 조절을 유발합니다.

EV는 이제 다음과 같은 생물학적 메신저로 인식됩니다:

• 면역 조절
• 조직 재생 촉진
• 유전 물질 전달
• 진단용 바이오마커
• 약물 전달체

생체 리듬 시계는 

세포 운명 결정에 관여하는 다양한 생리적 및 병리적 메커니즘을 포함합니다. 

생체시계 리듬을 

임상 응용 분야(예: 시간 치료, 시간 생물표지자, 환경 조절)에 통합하면 

줄기세포 기반 재생 의학의 치료 효과를 향상시킬 수 있습니다. 

줄기세포의 생체시계 리듬을 이해하면 

줄기세포 채취 및 투여의 최적 시점을 결정함으로써 치료 효과를 극대화할 수 있습니다. 

줄기세포의 생체시계 특성에 대한 추가 연구는 

줄기세포 기반 치료법을 정교화하여 재생 의학의 발전을 촉진할 것입니다.

Graphical abstract

핵심 시계 루프

이것은 생체시계 리듬을 주도하는 주요 피드백 루프입니다:

• BMAL1과 CLOCK 단백질은 이종 이량체를 형성합니다.
• 이 복합체는 DNA의 E-박스 요소에 결합하여 PER (Period)와 CRY (Cryptochrome) 유전자의 전사를 촉진합니다.
• PER와 CRY 단백질이 축적되면 이들은 BMAL1/CLOCK 활성을 억제하여 자신의 발현을 억제하는 부정적 피드백 루프를 형성합니다—이 진동은 약 24시간 주기를 생성합니다.

안정화 (보조) 루프

이 루프는 생체 리듬의 안정성과 정밀성을 보장합니다:

• ROR (레티노산 수용체 관련 고아 수용체)는 RRE (ROR 반응 요소)에 결합하여 BMAL1의 전사를 활성화합니다.
• REV-ERB는 동일한 결합 부위를 경쟁하며 BMAL1 전사의 억제제로 작용합니다.
• 이 ROR/REV-ERB 대립은 핵심 루프를 안정화하고 생체 리듬 진동의 진폭과 위상을 조정합니다.

활성 vs. 비활성 상태

• 배경은 낮과 밤 단계를 표시하며, 이는 생체 리듬이 줄기 세포 활동을 조절하며 일반적으로 낮에 더 활발히 활동함을 나타냅니다.
• 빛/어둠 주기는 생체 리듬 진동을 동기화하며, 이는 줄기 세포 분열, 분화, 및 DNA 복구에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

생체 리듬 동기화 인자

이들은 줄기 세포의 생체 리듬 시계를 재설정하거나 동기화하는 외부 요인입니다:

• 데카메타손: 스트레스나 호르몬 신호를 모방하는 합성 글루코코르티코이드.
• 포르스콜린 & cAMP: PKA 신호 전달을 활성화하여 빛이나 아드레날린 신호를 모방합니다.
• 혈청 충격: 체외에서 생체 리듬 유전자 진동을 유발하는 혈청의 갑작스러운 노출.
• 대사적 단식: 대사 및 호르몬 신호를 변화시켜 시계 유전자 발현을 조절합니다.

줄기세포에서의 생물학적 의미

• 시계 유전자는 줄기세포의 세포 주기, DNA 복구, 분화 및 대사 상태에 영향을 미칩니다.
• 이러한 루프의 교란은 줄기세포 특성을 손상시키거나 노화를 촉진하거나 종양 발생으로 이어질 수 있습니다.

Introduction

The concept of the circadian clock dates back to 1729 when it was observed that the plant Mimosa pudica displayed self-sustaining movement cycles even in the absence of light [1]. This observation set the stage for subsequent pivotal research on circadian rhythms. In 2017, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was conferred upon Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, and Michael W. Young for their pioneering research on the molecular mechanisms that govern circadian rhythms [2]. These self-sustaining oscillatory activities are inherent in nearly every cell in the body, with a substantial number of genes in peripheral tissues exhibiting circadian expression‎ patterns [3,4,5,6,7]. The distinct circadian rhythms in different tissues become particularly pronounced during development [8]. In mammals, the suprachiasmatic nucleus (SCN) serves as the central regulator, maintaining a cycle of approximately 24 h and coordinating the synchronization of biological clocks across various tissues [9]. Notably, SCN destruction and transplantation can respectively disrupt and restore circadian rhythms [10,11,12].

Despite discoveries of circadian rhythm in almost all types of cells, circadian rhythm in stem cells remains controversial. Bioluminescence studies of well-known clock genes in multiple embryonic cell lines demonstrate no oscillation [13]. Reprogramming differentiated cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs) also disrupts circadian oscillations, leading to a hypothesis that circadian clock regulators mature during differentiation. Furthermore, the expression‎ of genes in the circadian core loop varies significantly between embryonic and differentiated states [14, 15]. Conversely, stem cells exhibit oscillating metabolic activity and proliferative rate, suggesting the presence of a circadian clock even in the embryonic stage [16, 17]. Furthermore, several studies suggest that circadian clock genes are not essential for cellular circadian oscillation, implying regulation via non-canonical pathways [18, 19]. These findings underscore the intricate nature of circadian regulation in stem cells, positing that circadian rhythms may exist in stem cells.

Circadian rhythm modulates both physiological and pathological processes, encompassing the regulation of the sleep–wake cycle, hormone secretion, metabolism, cell division, and cell movement [6, 20,21,22]. The circadian clock is involved in the pathogenesis of various conditions, including ischemic stroke, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, and post-traumatic stress disorder [23, 24]. Circadian rhythms can be harnessed to optimize stem cell therapy. Selective timing of stem cell and EV harvest, as well as administration, can improve treatment outcomes. The use of circadian synchronizers, such as dexamethasone, forskolin, and serum shock, holds the potential for optimizing regimens. Additionally, circadian alignment through timed light exposure and melatonin can further improve neurodegenerative disorders and possibly affect the progression of neurodegeneration by restoring circadian homeostasis [23].

This review aims to capture recent advances in circadian rhythm research in stem cells. We also highlight the implications of the circadian clock in clinical applications for neurological disorders. Understanding the pattern of varying stem cell activities can lead to treatment optimization. By aligning stem cell treatments with the body's natural circadian rhythms or selecting the most active phase of stem cells, we can improve therapeutic outcomes and reduce their side effects. Integrating circadian biology into regenerative medicine for brain diseases paves the way for innovative approaches that leverage the natural timing systems of the body to maximize therapeutic benefits (Fig. 1).

서론

생체 시계의 개념은 1729년 식물 Mimosa pudica가 빛이 없는 환경에서도 자체적으로 유지되는 운동 주기를 보인다는 관찰에서 시작되었습니다 [1]. 이 관찰은 이후 생체 시계 리듬에 대한 핵심적인 연구의 기반을 마련했습니다.

2017년,

제프리 C. 홀, 마이클 로스바시, 마이클 W. 영은

생체 리듬을 조절하는 분자 메커니즘에 대한 선구적인 연구로

생리학 또는 의학 분야 노벨상을 수상했습니다[2].

이러한 자체 유지되는 진동 활동은

신체 내 거의 모든 세포에 내재되어 있으며,

주변 조직의 많은 유전자들이 생체 리듬 표현 패턴을 보여줍니다[3,4,5,6,7].

다른 조직에서 나타나는 뚜렷한 일주기 리듬은

발달 과정에서 특히 두드러지게 나타납니다 [8].

포유류에서,

시상 하부 핵 (SCN)은 중앙 조절기 역할을 하여 약 24시간의 주기를 유지하고

다양한 조직에 걸쳐 생물학적 시계의 동기화를 조정합니다 [9].

특히,

SCN이 파괴되면 일주기 리듬이 파괴되고,

이식되면 일주기 리듬이 회복됩니다 [10,11,12].

모든 유형의 세포에서 생체 리듬이 발견되었음에도 불구하고,

줄기 세포의 생체 리듬은 여전히 논란의 대상입니다.

여러 배아 세포 계통에서 잘 알려진 시계 유전자의 생물발광 연구는

진동 현상을 보여주지 않았습니다 [13].

분화된 세포를 유도 만능 줄기 세포(iPSCs)로 재프로그래밍하는 것도

생체 리듬 진동을 방해하며,

이는 생체 리듬 조절자가 분화 과정에서 성숙한다는 가설을 제기합니다.

또한,

생체리듬 핵심 루프의 유전자 발현은

배아 상태와 분화 상태 사이에서 크게 다릅니다 [14, 15].

반면,

줄기세포는

대사 활동과 증식 속도의 진동 패턴을 보여,

배아 단계에서도 생체리듬 시계가 존재할 가능성을 시사합니다 [16, 17].

또한 여러 연구는 생체시계 유전자가 세포 생체시계 진동에 필수적이지 않으며, 비전형적 경로를 통해 조절된다는 것을 시사합니다 [18, 19]. 이러한 결과는 줄기세포에서의 생체시계 조절의 복잡성을 강조하며, 줄기세포에 생체시계 리듬이 존재할 수 있음을 제안합니다.

일주기 리듬은

수면-각성 주기, 호르몬 분비, 대사, 세포 분열, 세포 이동 등

생리적 및 병리적 과정을 조절합니다[6, 20,21,22].

일주기 시계는

허혈성 뇌졸중, 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 헌팅턴 병, 외상 후 스트레스 장애 등

다양한 질환의 병리 과정에 관여합니다[23, 24].

일주기 리듬은

줄기세포 치료를 최적화하는 데 활용될 수 있습니다.

줄기세포와 엑소좀의 수확 및 투여 시점을 선택적으로 조절하는 것은

치료 효과를 향상시킬 수 있습니다.

Selective timing of stem cell and EV harvest, as well as administration, can improve treatment outcomes. The use of circadian synchronizers, such as dexamethasone, forskolin, and serum shock, holds the potential for optimizing regimens. Additionally, circadian alignment through timed light exposure and melatonin can further improve neurodegenerative disorders and possibly affect the progression of neurodegeneration by restoring circadian homeostasis 

덱사메타손, 포스콜린, 혈청 충격과 같은 일주기 동기화제는

치료 프로토콜을 최적화하는 잠재력을 가지고 있습니다.

또한,

시간에 맞춰 빛 노출과 멜라토닌을 통해

생체 리듬을 조정하는 것은 신경퇴행성 질환을 개선하고

생체 리듬 균형을 회복함으로써 신경퇴행의 진행에 영향을 미칠 수 있습니다 [23].

이 리뷰는

줄기세포 연구에서 생체 리듬 연구의

최신 진전을 요약합니다.

또한 신경 질환의 임상적 응용에서 생체 리듬 시계의 의미를 강조합니다.

줄기세포 활동의 패턴을 이해하는 것은 치료 최적화로 이어질 수 있습니다.

줄기세포 치료를 신체 자연 생체 리듬과 동기화하거나

줄기세포의 가장 활성 단계 선택을 통해 치료 효과를 향상시키고 부작용을 줄일 수 있습니다.

뇌 질환을 위한 재생 의학에 생체 리듬 생물학을 통합하는 것은

신체의 자연적 타이밍 시스템을 활용해 치료 효과를 극대화하는

혁신적인 접근법을 개척합니다(그림 1).

Fig. 1

Circadian clock in stem cells.

Recent evidence increasingly supports the presence of circadian rhythms in stem cells. The application of circadian synchronizers, such as dexamethasone and forskolin, has been shown to stimulate and enhance these oscillations

줄기세포 내의 생체시계. 

최근 연구 결과는 줄기세포 내 생체시계의 존재를 점점 더 뒷받침하고 있습니다.

덱사메타손과 포스콜린과 같은 생체시계 동기화제의 적용이

이러한 진동을 자극하고 강화한다는 것이 입증되었습니다.

Molecular clockwork of circadian rhythm

The circadian clock's transcriptional–translational feedback loops (TTFL) comprise a core loop and a stabilizing loop [6] (Fig. 1). In the core loop, the circadian locomotor output cycles kaput (CLOCK) and Basic Helix-Loop-Helix ARNT Like 1 (BMAL1) proteins bind to E-box enhancer elements of Period (PER1-3) and Cryptochrome Circadian Regulator (CRY1/2) genes. The transcribed PER and CRY proteins translocate into the nucleus to suppress CLOCK/BMAL1 activity, forming a negative feedback loop. This mechanism is regulated by posttranslational modifications that introduce delays, resulting in a cycle duration of approximately 24 h. In the stabilizing loop, CLOCK/BMAL1 activity induces the expression‎ of nuclear receptor REV-ERBα/β (also known as nuclear receptor subfamily 1 group D member 1 gene, Nr1d1) and Retinoid-related orphan receptor (RORα/β). REV-ERBs inhibit BMAL1 expression‎, while RORs compete with REV-ERBs for shared DNA binding sites, REV response element (RRE), and promote BMAL1 expression‎.

Post-transcriptional and epigenetic modifications significantly influence circadian programs. Phosphorylation of PER2 enhances its complex formation with CRY, promoting nuclear translocation and preventing degradation [25]. Similarly, casein kinase I ɛ (CKIɛ) phosphorylates PER, regulating its nuclear entry and degradation [26]. As a result, mutations in CKIɛ or PER2 phosphorylation sites decrease PER2 degradation, leading to familial advanced sleep phase syndrome (FASPS) [27, 28]. SUMOylation of BMAL1, induced by the CLOCK gene, localizes BMAL1 to the promyelocytic leukemia nuclear body (NB), enhancing its transactivation and ubiquitin-dependent degradation [29, 30]. Epigenetically, rhythmic histone methylation is essential for transcriptional oscillator function [31, 32]. In Arabidopsis, circadian oscillation is marked by sequential H3 acetylation and methylation [33]. Inhibiting these modifications abolishes oscillator gene expression‎ and increases clock-repressor binding, indicating their role in transitioning from activation to repression.

Redox processes are posited as a non-canonical circadian pathway [34]. Non-transcriptional mechanisms in circadian regulation have been challenging to study in mammals. Nevertheless, research utilizing human red blood cells, which lack DNA, has demonstrated that transcription is not essential and non-transcriptional pathways alone can sustain cellular circadian rhythms [35]. Similarly, circadian rhythms have been observed in cyanobacteria through the exclusive action of KaiA, KaiB, and KaiC proteins, independent of transcription and translation [36]. mammals, oscillations in flavin adenine dinucleotide (FAD) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) redox states have been detected in SCN tissue slices, and these oscillations modulate the excitability of SCN neurons through non-transcriptional regulation of membrane potassium channels [37]. Comprehensive studies of both classical and novel mechanisms controlling circadian rhythm will pave the way for a complete picture of its functions.

SCN functions as the central pacemaker, synchronizing circadian rhythms across the body. SCN activates clock gene transcription and is reset daily by light-stimulating melanopsin-containing intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) via the retinohypothalamic tract [34, 38]. Light, the primary external cue for time, activates the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor on SCN neurons, which triggers calcium-mediated activation of calmodulin-dependent protein kinase II (CaM kinase II or CaMKII) and gene transcription [39]. SCN efferent pathways extend to the hypothalamus, thalamus, and other brain regions [23], and communicate with peripheral organs via humoral signals like transforming growth factor-α (TGF-α) [40]. Despite SCN impairment, peripheral clocks remain synchronized to light–dark cycles but eventually desynchronize under constant darkness (DD). Mice with silenced BMAL1 in the SCN exhibit impaired circadian rhythms in DD but maintain 24-h activity rhythms under light–dark conditions. SCN clock-deficient mice show accelerated resetting of PER2 rhythms after a light–dark cycle shift, indicating the SCN's role in stabilizing peripheral clocks against external perturbations [41,42,43].

Notwithstanding these significant advancements in understanding the mechanisms of the circadian clock over recent decades, much remains to be explored. The discovery of non-transcriptional pathways, such as redox, suggests the potential existence of additional pathways yet to be uncovered. Furthermore, a comprehensive understanding of circadian-regulated physiological and pathological processes remains an important field of inquiry. Although numerous circadian output genes involved in critical pathways have been identified, the extent to which circadian rhythm optimization can alleviate diseases is a question that warrants further investigation.

생체 시계의 분자적 메커니즘

생체 시계의 전사-번역 피드백 루프(TTFL)는 핵심 루프와 안정화 루프로 구성됩니다 [6] (그림 1). 핵심 루프에서 생체시계 운동 출력 주기 kaput (CLOCK)과 Basic Helix-Loop-Helix ARNT Like 1 (BMAL1) 단백질은 Period (PER1-3) 및 Cryptochrome Circadian Regulator (CRY1/2) 유전자의 E-박스 증강 요소와 결합합니다. 전사된 PER 및 CRY 단백질은 핵으로 이동하여 CLOCK/BMAL1 활성을 억제하여 음의 피드백 루프를 형성합니다. 이 메커니즘은 후전사적 변형에 의해 조절되며, 이는 지연을 도입하여 약 24시간의 주기 지속 시간을 유발합니다. 안정화 루프에서 CLOCK/BMAL1 활성은 핵 수용체 REV-ERBα/β(핵 수용체 하위 가족 1 그룹 D 구성원 1 유전자, Nr1d1) 및 레티노이드 관련 고아 수용체(RORα/β)의 발현을 유도합니다. REV-ERBs는 BMAL1 발현을 억제하며, RORs는 REV-ERBs와 공유하는 DNA 결합 부위인 REV 반응 요소(RRE)를 경쟁적으로 결합하여 BMAL1 발현을 촉진합니다.

전사 후 및 에피게노믹 변형은 생체 리듬 프로그램에 크게 영향을 미칩니다. PER2의 인산화는 CRY와의 복합체 형성을 촉진하여 핵 내 이동을 촉진하고 분해를 방지합니다 [25]. 마찬가지로, 케이신 키나제 I ɛ (CKIɛ)는 PER을 인산화하여 그 핵 내 진입과 분해를 조절합니다 [26]. 결과적으로 CKIɛ 또는 PER2 인산화 부위의 돌연변이는 PER2 분해를 감소시켜 가족성 조기 수면 상위 증후군(FASPS)을 유발합니다 [27, 28]. CLOCK 유전자에 의해 유도된 BMAL1의 SUMO화(SUMOylation)는 BMAL1을 전골수성 백혈병 핵체(NB)에 국소화시켜 그 전사 활성화와 유비퀴틴 의존적 분해를 촉진합니다 [29, 30]. 에피게노믹적으로, 리듬적인 히스톤 메틸화는 전사 오실레이터 기능에 필수적입니다 [31, 32]. 아라비도프시스에서 생체 리듬 오실레이션은 H3 아세틸화 및 메틸화의 순차적 변화로 특징지어집니다 [33]. 이러한 변형을 억제하면 오실레이터 유전자 발현이 소실되고 시계 억제제 결합이 증가하여 활성화에서 억제로의 전환에 역할을 함을 시사합니다.

산화환원 과정은 비전형적인 생체 리듬 경로로 제안되었습니다 [34]. 포유류에서 생체시계 조절의 비전사적 메커니즘은 연구가 어려웠습니다. 그럼에도 불구하고 DNA를 갖지 않은 인간 적혈구를 활용한 연구는 전사가 필수적이지 않으며 비전사적 경로만으로도 세포 생체시계 리듬을 유지할 수 있음을 보여주었습니다 [35]. 유사하게, 시아노박테리아에서는 전사 및 번역과 독립적으로 KaiA, KaiB, KaiC 단백질의 단독 작용을 통해 생체시계 리듬이 관찰되었습니다 [36]. 포유류에서 SCN 조직 조각에서 플라빈 아데닌 이중핵산(FAD)과 니코틴아미드 아데닌 이중핵산 인산(NADP)의 환원 상태 진동이 검출되었으며, 이러한 진동은 비전사적 조절을 통해 SCN 신경세포의 흥분성을 조절합니다 [37]. 전통적 및 새로운 메커니즘을 포함한 생체시계 리듬 조절 메커니즘에 대한 포괄적 연구는 그 기능의 완전한 이해를 위한 기반을 마련할 것입니다.

SCN은 신체 전체의 생체 리듬을 동기화하는 중앙 생체 시계 역할을 합니다. SCN은 멜라노프신 함유 내재적 광감각 망막 신경절 세포(ipRGCs)를 통해 시신경-시상하부 경로를 통해 빛 자극으로 매일 재설정되며, 이는 시계 유전자 전사를 활성화합니다 [34, 38]. 빛은 시간의 주요 외부 신호로, SCN 신경세포의 N-메틸-D-아스파르테이트(NMDA) 수용체를 활성화하여 칼슘 매개 칼모듈린 의존성 단백질 키나제 II(CaM 키나제 II 또는 CaMKII)와 유전자 전사를 촉발합니다 [39]. SCN 원심성 경로는 시상 하부, 시상 및 기타 뇌 영역으로 확장되며 [23], 변형 성장 인자-α (TGF-α)와 같은 체액성 신호를 통해 말초 기관과 소통합니다 [40]. SCN이 손상되어도 말초 시계는 빛-어둠 주기에 동기화되어 있지만, 지속적인 암흑 (DD) 상태에서는 결국 동기화가 해제됩니다. SCN에서 BMAL1이 침묵된 쥐는 DD에서 생체 리듬이 손상되지만, 빛-어둠 조건 하에서는 24시간 활동 리듬을 유지합니다. SCN 시계 결핍 쥐는 빛-어둠 주기 변화 후 PER2 리듬의 재설정이 가속화되며, 이는 SCN이 외부 교란에 대한 주변 시계의 안정화에 역할을 한다는 것을 나타냅니다 [41,42,43].

최근 수십 년간 생체시계 메커니즘에 대한 이해가 크게 진전되었음에도 불구하고, 여전히 탐구해야 할 많은 부분이 남아 있습니다. 산화환원 경로와 같은 비전사적 경로의 발견은 아직 밝혀지지 않은 추가 경로의 존재 가능성을 시사합니다. 또한 생체시계에 의해 조절되는 생리적 및 병리적 과정에 대한 포괄적인 이해는 중요한 연구 분야로 남아 있습니다. 중요한 경로에 관여하는 수많은 생체시계 출력 유전자가 식별되었지만, 생체시계 리듬 최적화가 질병 완화에 미치는 영향의 정도는 추가 연구가 필요한 질문입니다.

Circadian clock in stem cells

Several studies have demonstrated that circadian clocks do not function in stem cells (Table 1). For instance, a bioluminescence study in mouse embryonic stem cells (ESCs) revealed no circadian rhythm; however, the oscillation of circadian clock genes was induced upon differentiation [13]. Reprogramming differentiated cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs) disrupted circadian oscillation, indicating that circadian clock regulators mature during differentiation. Furthermore, gene expression‎ in the circadian core loop significantly differs between embryonic and differentiated states, with PER2 and CLOCK expression‎ increasing post-differentiation, while CRY expression‎ drastically reduces. Similarly, experiments with neural progenitor cells, cardiomyocytes, and fibroblasts show that only differentiated cells exhibit oscillated activities of circadian genes [14, 15, 46]. On a molecular level, disrupted c-MYC and DNA methyltransferase 1 (DNMT1) in mouse ESCs hinder clock development. Additionally, misregulation of karyopherin Subunit Alpha 2 (KPNA2), which facilitates the cytoplasmic localization of PER1/2, results in cytoplasmic PER protein accumulation and impaired clock development [47]. These findings collectively underscore that functional circadian clocks are closely tied to the differentiation state of the stem cells rather than their immature state.

줄기세포의 생체시계

여러 연구에서 줄기세포에서 생체시계가 기능하지 않는다는 것이 입증되었습니다(표 1). 예를 들어, 쥐 배아 줄기세포(ESCs)에서 수행된 생물발광 연구에서는 생체시계 리듬이 관찰되지 않았지만, 분화 시 생체시계 유전자의 진동이 유도되었습니다[13]. 분화된 세포를 유도 다능성 줄기세포(iPSCs)로 재프로그래밍하면 생체리듬 진동이 방해받았으며, 이는 생체리듬 시계 조절 인자가 분화 과정에서 성숙함을 시사합니다. 또한 생체리듬 핵심 루프의 유전자 발현은 배아 상태와 분화 상태에서 크게 다르며, PER2와 CLOCK 발현은 분화 후 증가하는 반면 CRY 발현은 급격히 감소합니다. 신경 전구 세포, 심근 세포, 섬유아세포를 대상으로 한 실험에서도 분화 세포만 생체시계 유전자의 진동 활동을 나타냈습니다 [14, 15, 46]. 분자 수준에서 마우스 ESCs의 c-MYC와 DNA 메틸트랜스퍼레이즈 1(DNMT1)의 장애는 시계 발달을 방해합니다. 또한, PER1/2의 세포질 국소화를 촉진하는 karyopherin 서브유닛 알파 2(KPNA2)의 조절 이상은 세포질 내 PER 단백질 축적과 시계 발달 장애를 유발합니다 [47]. 이러한 결과들은 기능적인 circadian 시계가 줄기세포의 미분화 상태보다는 분화 상태와 밀접하게 연관되어 있음을 강조합니다.

Table 1 Negative evidence for circadian rhythm in stem cells

Equally compelling evidence supports the presence of circadian rhythms in various types of stem cells (Table 2). Most stem cells, including mesenchymal stem cells (MSCs), erythroid hematopoietic stem cells (HSCs), ESCs, intestinal stem cells, and anagen hair follicle, have a 24-h cycle. On the other hand, myeloid HSCs and adipose progenitor cells (APCs) have 12- and 18-h cycles respectively. Some types of stem cells, such as epidermal stem cells, maintain a connection with the brain's central clock to regulate tissue homeostasis, similar to the finding in mature peripheral tissues [58]. Proliferation activity and the rate of stem cell release also fluctuate with circadian rhythms [51, 52, 56], potentially due to intrinsic clocks within the stem cells or central regulatory mechanisms in vivo [53, 55]. Embryonic stem cells exhibit oscillating metabolism such as glucose uptake and glucose transporter (GLUT) expression‎ [17]. As these cells differentiate, clock genes begin to show circadian patterns, and the amplitude of glucose utilization rhythms increases, suggesting the early presence of a functional circadian clock. Additionally, several studies indicate that transcription of circadian clock genes is not essential for the circadian oscillation of cellular activity, implying the existence of non-canonical regulatory pathways such as redox [18, 19].

동등하게 설득력 있는 증거는

다양한 유형의 줄기세포(Table 2)에서 생체리듬의 존재를 뒷받침합니다.

대부분의 줄기세포,

예를 들어

중간엽 줄기세포(MSCs),

적혈구 혈액 줄기세포(HSCs),

배아 줄기세포(ESCs),

장 줄기세포, 그리고

성장기 모낭은 24시간 주기를 가지고 있습니다.

반면,

골수성 HSCs와 지방 전구세포(APCs)는

각각 12시간과 18시간 주기를 가집니다.

일부 줄기세포 유형, 예를 들어

표피 줄기세포는 뇌의 중앙 시계와 연결되어 조직 항상성을 조절하며,

이는 성숙한 주변 조직에서의 발견과 유사합니다 [58].

줄기세포의 증식 활동과 방출 속도도 생체 리듬에 따라 변동됩니다[51, 52, 56], 이는 줄기세포 내부의 내재적 시계나 체내 중앙 조절 메커니즘 때문일 수 있습니다[53, 55]. 배아 줄기세포는 포도당 흡수 및 포도당 운반체(GLUT) 발현과 같은 진동성 대사 패턴을 보입니다[17]. 이 세포들이 분화함에 따라 시계 유전자들이 일주기 패턴을 보이기 시작하며, 포도당 이용 리듬의 진폭이 증가합니다. 이는 기능적인 일주기 시계의 조기 존재를 시사합니다. 또한 여러 연구는 세포 활동의 일주기 진동에서 시계 유전자의 전사가 필수적이지 않다는 것을 보여주며, 산화환원(redox)과 같은 비전형적인 조절 경로의 존재를 암시합니다[18, 19].

Table 2 Positive evidence for circadian rhythm in stem cells

Understanding the circadian cycle of stem cells is complex and fraught with multiple challenges, the foremost being heterogenicity. Oscillation patterns not only differed between cell types, but stem cells within the same tissue also display heterogeneous responsive states, with only subsets activated during each round of morphogenesis. This results in coexisting populations of stem cells at opposite clock phases, each responding differently to homeostatic cues [59]. Moreover, contributory factors such as cell–cell interactions and the microenvironment play significant roles in circadian regulation. Cancer stem cells, which typically exhibit robust circadian oscillations, often lack rhythm when cultured in a monolayer [60]. The pattern and frequency of clock gene oscillations in stem cells vary across different stages of differentiation. For instance, neural stem cells (NSCs) initially display a high-frequency rhythm of PER1, which transitions to a 24-h circadian rhythm upon complete differentiation [46]. This ultradian rhythm may be crucial for the high proliferation activity observed during the embryonic state. These complexities underscore the intricate nature of circadian regulation in stem cells and the need for tailored approaches to study their rhythms accurately.

Although significant progress has been made in elucidating the circadian clock in stem cells, much remains to be explored. While stem cells may possess circadian rhythms, it is still unknown whether their clocks exhibit cycle patterns and output genes similar to those of mature cells. Identifying the active and inactive stages of stem cells, along with their properties, will undoubtedly benefit regenerative medicine. Additionally, stem cell-derived EVs are being widely studied as a promising novel therapy for various diseases, particularly inflammation and degenerative conditions. If stem cells have circadian rhythms, this may influence the quantity and content of EVs released at different times of the day. This field of research holds the potential to enhance treatment efficacy by aligning therapeutic interventions with the natural circadian rhythms.

줄기세포의 생체리듬 주기를 이해하는 것은 복잡하고 다양한 도전 과제를 안고 있으며, 그 중 가장 큰 문제는 이질성입니다. 진동 패턴은 세포 유형 간에 차이가 있을 뿐만 아니라, 동일한 조직 내의 줄기세포도 이질적인 반응 상태를 보이며, 각 형태 형성 단계에서 활성화되는 것은 일부 하위 집합에 불과합니다. 이로 인해 서로 다른 시계 단계에 있는 줄기세포 집단이 공존하게 되며, 각 집단은 항상성 신호에 대해 서로 다른 반응을 보입니다 [59]. 또한 세포 간 상호작용과 미세환경과 같은 기여 요인이 생체리듬 조절에 중요한 역할을 합니다. 암 줄기세포는 일반적으로 강력한 생체리듬 진동을 보이지만, 단일층 배양 시 리듬을 상실하는 경우가 많습니다 [60]. 줄기세포의 시계 유전자 진동 패턴과 빈도는 분화 단계에 따라 달라집니다. 예를 들어, 신경 줄기세포(NSCs)는 초기에는 PER1의 고주파 리듬을 보이다가 완전 분화 후 24시간 주기 리듬으로 전환됩니다[46]. 이 초일주 리듬은 배아 상태에서 관찰되는 높은 증식 활동에 필수적일 수 있습니다. 이러한 복잡성은 줄기세포의 생체시계 조절의 복잡성을 강조하며, 그들의 리듬을 정확히 연구하기 위해 맞춤형 접근 방식이 필요함을 보여줍니다.

줄기세포의 생체시계에 대한 이해는 상당한 진전을 이뤘지만, 여전히 탐구해야 할 부분이 많습니다. 줄기세포가 생체리듬을 가질 수는 있지만, 그들의 시계가 성숙한 세포와 유사한 주기 패턴과 출력 유전자를 갖는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. 줄기세포의 활성 및 비활성 단계와 그 특성을 식별하는 것은 재생 의학에 큰 기여를 할 것입니다. 또한 줄기세포 유래 엑소좀(EVs)은 염증 및 퇴행성 질환을 포함한 다양한 질환의 유망한 신규 치료법으로 널리 연구되고 있습니다. 줄기세포가 생체리듬을 갖는다면, 이는 하루 중 다른 시간대에 방출되는 엑소좀의 양과 구성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 연구 분야는 치료적 개입을 자연적인 생체리듬과 일치시켜 치료 효과를 향상시킬 잠재력을 지니고 있습니다.

Clinical application of circadian clock

Circadian rhythms are involved in multiple pathogenesis processes in the brain. Some diseases exhibit circadian preferences; for instance, ischemic strokes with nighttime onset result in larger ischemic core volumes compared to those with daytime onset, due to the influence of circadian rhythms on the integrity of the blood–brain barrier (BBB) and hypoxic signaling [24, 61, 62]. Additionally, cluster headaches and sundowning syndrome in Alzheimer's disease demonstrate circadian variations [24]. The relationship between circadian rhythms and diseases is complex, encompassing both direct pathogeneses, as seen in sleep disorders, and more ambiguous connections, as observed in neurodegenerative diseases. Understanding these relationships can provide insights into disease mechanisms and potential therapeutic targets.

The circadian clock can be strategically utilized to optimize treatment efficacy [63]. Since many common medications directly target the products of clock genes, optimizing regimens to align with circadian timing, known as chronotherapy, can significantly enhance therapeutic outcomes [7, 64]. For instance, hypertension is more pronounced during the daytime, rationalizing the administration of antihypertensive medications in the morning [65]. Another point to consider is circadian oscillations of efflux transporters in the intestine can lead to varied enteral absorption, contributing to drug chronotoxicity [66]. Chrono-biomarkers, which fluctuate throughout the day, necessitate different reference ranges to improve the accuracy of diagnosis. The extent of circadian disruption in patients with systemic disorders can vary by up to 12 h [67]. Enhancing hospital environments to promote circadian synchronization through controlled light, noise, and external time cues has been shown to significantly improve treatment outcomes [68]. This underscores the critical role of aligning therapeutic interventions with the body's natural rhythms to maximize efficacy and minimize adverse effects.

Circadian optimization holds significant potential for enhancing stem cell-based therapy. Over the past decade, stem cell therapy has emerged as a promising therapeutic field for various neurological disorders [69]. Stem cells, especially MSCs derived from the umbilical cord (UC-MSCs), adipose tissue (ASCs), and bone marrow (BM-MSCs), exhibit multiple therapeutic mechanisms [70], including cell replacement [71], trophic factor secretion [72], and immunomodulation [73]. Since the division cycle of stem cells varies with the time of day they are harvested, their efficacy may also fluctuate accordingly [16]. Additionally, the timing of stem cell transplantation plays a critical role in treatment outcomes, as host immune activities demonstrate circadian variations [74]. Strategically selecting the time of transplantation can potentially minimize tissue damage and rejection. Moreover, the release rate, size, and content of EVs exhibit diurnal variation, emphasizing the importance of timing in EV harvest [75, 76]. Moreover, genetic modification to facilitate the circadian clock has also proved to be beneficial. BMAL1-overexpressing MSCs rescue the rhythm and promote osteoblast differentiation in aged mice [77]. These insights underscore the importance of circadian optimization in maximizing the therapeutic efficacy of stem cell-based therapies.

Due to the debate over whether stem cells possess intrinsic circadian rhythms, several studies have explored the use of circadian synchronizers to enhance circadian activities in stem cells (Table 3). Dexamethasone has been shown to activate oscillations of circadian clock genes in multiple lines of stem cells, mimicking systemic signaling in vivo [78, 80, 81]. Forskolin has proven effective in somatic cells [82], but studies in human iPSCs demonstrate oscillation only in clock output D-Box Binding PAR BZIP Transcription Factor (DBP), not in core clock genes [79]. Other interventions, such as cyclic adenosine monophosphate (cAMP), serum shock, and metabolic fasting, can also activate and increase the amplitude of circadian clock gene oscillation. Melatonin, released by the pineal gland to regulate the sleep–wake cycle, can synchronize circadian rhythms in mature cells; however, studies in stem cells remain incomplete [83]. Nevertheless, it is important to note that circadian stimulation may increase the risk of tumorigenesis in stem cell therapy due to enhanced cell proliferation [84, 85]. These findings suggest that while circadian synchronizers hold promise for optimizing stem cell therapies, their potential risks must be carefully considered.

생체시계의 임상적 적용

생체시계 리듬은 뇌의 다양한 병리 과정에 관여합니다. 일부 질환은 생체시계 선호성을 보입니다. 예를 들어, 야간에 발병하는 허혈성 뇌졸중은 생체시계 리듬이 혈액-뇌 장벽(BBB)의 무결성과 저산소 신호 전달에 미치는 영향으로 인해 주간 발병 사례보다 더 큰 허혈 중심 부피를 보입니다 [24, 61, 62]. 또한 알츠하이머 병의 군발성 두통과 일몰 증후군은 생체시계 변동을 보여줍니다[24]. 생체시계 리듬과 질환 간의 관계는 복잡하며, 수면 장애에서 관찰되는 직접적인 병리 메커니즘부터 신경퇴행성 질환에서 관찰되는 모호한 연결까지 포함합니다. 이러한 관계를 이해하는 것은 질환 메커니즘과 잠재적 치료 표적에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다.

일주기 시계는 치료 효과를 최적화하기 위해 전략적으로 활용될 수 있습니다 [63]. 많은 일반적인 약물이 시계 유전자의 산물을 직접 표적으로 삼기 때문에, 일주기 리듬에 맞춘 투여 일정(chronotherapy)을 최적화하면 치료 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다 [7, 64].

예를 들어,

고혈압은 낮에 더 심하기 때문에

항고혈압제를 아침에 투여하는 것이 합리적입니다 [65].

또 다른 고려 사항은

장 내 배출 운반체의 일주기 진동이

장 흡수 변이를 유발해 약물 일주기 독성에 기여할 수 있다는 점입니다 [66].

일주기 생물표지자는 하루 동안 변동되므로 진단 정확도를 높이기 위해 다른 참조 범위가 필요합니다. 전신 질환 환자의 일주기 장애 정도는 최대 12시간까지 차이가 날 수 있습니다 [67]. 병원 환경을 조절된 빛, 소음, 외부 시간 신호로 최적화하여 생체 리듬 동기화를 촉진하는 것이 치료 결과를 크게 개선한다는 것이 입증되었습니다 [68]. 이는 치료 개입을 신체 자연 리듬과 일치시키는 것이 효능을 극대화하고 부작용을 최소화하는 데 결정적인 역할을 함을 강조합니다.

생체 리듬 최적화는

줄기세포 기반 치료를 향상시키는 데 큰 잠재력을 지니고 있습니다.

지난 10년간 줄기세포 치료는

다양한 신경계 질환의 유망한 치료 분야로 부상했습니다 [69].

줄기세포,

특히 탯줄(UC-MSCs), 지방 조직(ASCs), 골수(BM-MSCs)에서 유래한 중간엽 줄기세포(MSCs)는

다양한 치료 메커니즘을 나타냅니다[70],

이는 세포 대체[71], 영양 인자 분비[72], 면역 조절[73] 등을 포함합니다.

줄기세포의 분열 주기는

채취 시간에 따라 달라지기 때문에

그 효능도 이에 따라 변동될 수 있습니다[16].

또한

줄기세포 이식의 시기는

치료 결과에 결정적인 역할을 합니다.

호스트 면역 활동이

일주기 변동을 보이기 때문입니다 [74].

이식 시점을 전략적으로 선택하면

조직 손상과 거부 반응을 최소화할 수 있습니다.

또한

엑소좀(EVs)의 방출 속도, 크기, 및 내용은 일주기 변동을 보이며,

이는 EV 채취 시점의 중요성을 강조합니다 [75, 76].

또한

일주기 시계를 촉진하기 위한

유전적 변형도 유익한 것으로 입증되었습니다.

BMAL1 과발현 MSC는

노화 마우스에서 리듬을 회복시키고 골세포 분화를 촉진합니다 [77].

이러한 결과는

줄기세포 기반 치료법의 치료 효과를 극대화하기 위해

생체리듬 최적화의 중요성을 강조합니다.

줄기세포가 내재적 생체리듬을 갖는지 여부에 대한 논쟁으로 인해,

여러 연구에서 줄기세포의 생체리듬 활동을 강화하기 위해

생체리듬 동기화제를 사용한 연구가 진행되었습니다(표 3).

데카메타손은 다양한 줄기세포 계통에서

생체 내 시스템 신호와 유사하게 생

체리듬 유전자 진동을 활성화하는 것으로 나타났습니다 [78, 80, 81].

포스콜린은 체세포에서 효과적이었지만 [82], 인간 유도 만능 줄기세포(iPSCs) 연구에서는 생체리듬 유전자 진동이 핵심 생체리듬 유전자 대신 생체리듬 출력 D-Box 결합 PAR BZIP 전사 인자(DBP)에서만 관찰되었습니다 [79].

사이클릭 아데노신 모노포스페이트(cAMP),

혈청 충격,

대사적 단식 등

다른 개입 방법도 생체 시계 유전자 진동의 활성화 및 진폭 증가를 유발할 수 있습니다.

송과체에서

수면-각성 주기를 조절하기 위해 분비되는 멜라토닌은

성숙 세포의 생체 리듬을 동기화시킬 수 있지만,

줄기세포에 대한 연구는 아직 불충분합니다[83].

그러나

줄기세포 치료에서 생체리듬 자극이

세포 증식 증가로 인해 종양 발생 위험을 높일 수 있다는 점을 주의해야 합니다 [84, 85].

이러한 결과는

생체리듬 동기화제가 줄기세포 치료 최적화에 잠재력을 지니지만,

그 잠재적 위험을 신중히 고려해야 함을 시사합니다.

Table 3 Circadian synchronizors in stem cells

Circadian rhythms are intricately involved in multiple disorders, yet the relationship between circadian rhythms and diseases remains complex with unclear connecting mechanisms. Understanding these connections can provide valuable insights into disease mechanisms and potential therapeutic targets. The circadian clock can be leveraged to optimize treatment efficacy through chronotherapy, chrono-biomarkers, and environmental adjustments. Additionally, circadian optimization can enhance stem cell-based therapy by selective timing of harvest and transplantation of stem cells and EVs. Furthermore, circadian synchronizers, such as dexamethasone, may enhance the effects of stem cell therapy. Despite these advancements, extensive research is still required to further develop and refine treatment regimens.

생체 리듬은 

다양한 질환과 밀접하게 연관되어 있지만, 

생체 리듬과 질환 간의 관계는 명확한 연결 메커니즘이 밝혀지지 않아 복잡합니다. 

이러한 연결 관계를 이해하는 것은 질환 메커니즘과 잠재적 치료 표적에 대한 귀중한 통찰을 제공할 수 있습니다. 

생체 시계를 활용하면 

크로노테라피, 크로노바이오마커, 환경 조정 등을 통해 

치료 효과를 최적화할 수 있습니다. 

또한, 

생체 리듬 최적화는 

줄기세포 수확 및 이식 시점을 선택적으로 조절함으로써 

줄기세포 기반 치료 효과를 향상시킬 수 있습니다. 

또한, 데ksametason과 같은 생체리듬 동기화제는 

줄기세포 치료의 효과를 강화할 수 있습니다. 

이러한 진전에도 불구하고,

 치료 프로토콜을 더욱 발전시키고 정교화하기 위해 추가적인 연구가 필요합니다.

Key enabling studies to advance therapeutic use of circadian rhythmicity of stem cells

Despite significant progress in circadian clock studies in stem cells, much remains to be learned to advance therapeutic applications of circadian rhythmicity of stem cells. There are at least three key areas of research that will significantly impact the clinical application of stem cell therapy. First, it is crucial to capture circadian rhythmicity in essential stem cell functions, particularly cell motility and division, encompassing immaturity and differentiated state. Understanding these rhythms could reveal how stem cells function and interact with their microenvironment differently by the time of the day. Second, confirm‎ing the direct cause-and-effect mediation of specific core clock genes, such as BMAL1 and PER, in stem cells is essential. This can be achieved through targeted gene silencing and upregulation studies, which will elucidate the precise roles these genes play in regulating stem cell behaviors. Such insights could lead to novel strategies for manipulating stem cell activity to optimize their regenerative capabilities. Third, once circadian rhythmicity and its pathways are established in stem cells, we can explore the therapeutic effects of stem cell therapy at different circadian stages that promote safe and effective regenerative modalities. In particular, investigating the transplantation of "active" versus "inactive" stem cells in disease models, such as ischemic stroke, could guide the optimal timing for stem cell therapy, potentially reducing the risk of graft rejection and improving transplant integration and function. Recent clinical studies have highlighted a significant diurnal variation in stroke incidence and outcomes, with both detection and mortality rates peaking during morning hours [86,87,88,89,90]. Additionally, normobaric hyperoxia has been shown to effectively reduce infarct size in rodents only when administered during the daytime. These findings underscore the importance of chronopharmacology [91]. In parallel, optimizing the timing of stem cell harvest and transplantation to align with circadian rhythms may offer a promising strategy to mitigate the pathophysiological conditions associated with stroke such as neurovascular unit integrity and inflammation. The circadian clock is intricately intertwined with multiple pathologies, yet it has been overlooked for stem cell-based regenerative medicine. By integrating circadian biology into stem cell therapeutic protocols, the appropriate timing to harvest stem cells and to transplant them will likely enhance their therapeutic applications especially for human diseases which display inherent biological clock alterations.

줄기세포의 생체리듬 활용을 위한 핵심 연구

줄기세포의 생체리듬 연구에서 상당한 진전이 이루어졌음에도 불구하고, 줄기세포의 생체리듬을 치료적 목적으로 활용하기 위해서는 여전히 많은 연구가 필요합니다. 줄기세포 치료법의 임상 적용에 큰 영향을 미칠 세 가지 핵심 연구 분야가 있습니다.

첫째,

줄기세포의 필수 기능,

특히 세포 이동성과 분열에 대한 생체리듬을 포착하는 것이 중요합니다.

이는 미성숙 상태와 분화 상태를 포함합니다.

이러한 리듬을 이해하면 줄기세포가 하루 중 시간대에 따라 미세환경과 어떻게 다르게 기능하고 상호작용하는지 밝힐 수 있습니다.

둘째,

BMAL1과 PER와 같은 특정 핵심 생체시계 유전자의 직접적인 인과관계를 확인하는 것이 필수적입니다.

이는 표적 유전자 침묵화 및 발현 증가 연구를 통해 달성될 수 있으며,

이 연구는 이러한 유전자들이 줄기세포 행동 조절에 미치는 정확한 역할을 밝힐 것입니다.

이러한 통찰은 줄기세포 활동을 조작하여 재생 능력을 최적화하는 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다.

셋째,

줄기세포에서 생체리듬과 그 경로가 확립되면,

안전한 재생 모달리티를 촉진하는 생체리듬 단계에 따른 줄기세포 치료의 치료 효과를 탐구할 수 있습니다.

특히,

허혈성 뇌졸중과 같은 질환 모델에서

“활성”과 “비활성” 줄기세포의 이식 효과를 비교 연구하면

줄기세포 치료의 최적 시점을 결정하는 데 도움을 줄 수 있으며,

이식 거부 위험을 줄이고 이식 통합 및 기능을 개선할 수 있습니다.

최근 임상 연구는

뇌졸중 발생률과 결과에 대한显著한 일일 변동을 강조했으며,

발생률과 사망률은 아침 시간대에 최고점을 기록했습니다 [86,87,88,89,90].

또한, 정상기압 고산소 환경은 쥐에서 뇌경색 크기를 효과적으로 감소시키지만,

이는 낮 시간대에 투여될 때만 유효했습니다.

이러한 결과는 크로노약리학의 중요성을 강조합니다 [91].

동시에, 줄기세포 채취 및 이식 시점을 생체리듬과 일치시켜 최적화하는 것은 뇌졸중과 관련된 병리생리학적 조건(신경혈관 단위 무결성 및 염증 등)을 완화하는 유망한 전략이 될 수 있습니다.

생체 리듬 시계는 다양한 질환과 밀접하게 연관되어 있지만, 줄기세포 기반 재생 의학에서는 간과되어 왔습니다. 생체 리듬 생물학을 줄기세포 치료 프로토콜에 통합함으로써, 줄기세포 채취 및 이식의 적절한 시점을 결정하는 것이 특히 생체 시계 변화가 내재된 인간 질환에서 치료적 적용을 향상시킬 것으로 예상됩니다.

Conclusion

The circadian clock plays a vital role in synchronizing physiological activities across the body. The intricate connection between circadian rhythms and disease pathogenesis involves a wide array of clock output genes, making it a complex area of study. Understanding these rhythms has significant clinical applications; by adjusting disrupted rhythms, we can potentially improve disease progression. The discovery of circadian rhythms in stem cells opens new avenues for optimizing stem cell-based therapies to maximize their efficacy. Nonetheless, further research is essential. Confirm‎ing the oscillatory activity in stem cells, elucidating the underlying molecular mechanisms and their outputs, and comparing the outcomes of stem cell therapies at different time points are crucial next steps in this field.

Availability of data and materials

Not applicable.

Abbreviations

APCs:

Adipose progenitor cells

ASCs:

Adipose tissue-derived mesenchymal stem cells

BBB:

Blood–brain barrier

BMAL1:

Basic Helix-Loop-Helix ARNT Like 1

BM-MSCs:

Bone marrow-derived mesenchymal stem cells

CaM kinase II or CaMKII:

Calmodulin-dependent protein kinase II

cAMP:

Cyclic adenosine monophosphate

CLOCK:

Circadian locomotor output cycles kaput

CKIɛ:

Casein kinase Iɛ

CRY:

Cryptochrome Circadian Regulator

DBP:

D-Box Binding PAR BZIP Transcription Factor

DD:

Constant darkness

DNMT1:

DNA methyltransferase 1

DPSCs:

Dental pulp stem cells

EPCs:

Endothelial progenitor cells

ESCs:

Embryonic stem cells

EV:

Extracellular vesicle

FAD:

Flavin adenine dinucleotide

FASPS:

Familial advanced sleep phase syndrome

GLUT:

Glucose transporter

HSCs:

Hematopoietic stem cells

ipRGCs:

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells

iPSCs:

Induced pluripotent stem cells

KPNA2:

Karyopherin Subunit Alpha 2

MSCs:

Mesenchymal stem cells

NADP:

Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate

Nr1d1 (REV-ERBα/β):

Nuclear receptor subfamily 1 group D member 1 gene

NSCs:

Neural stem cells

PER:

Period

RORα/β:

Retinoid-related orphan receptor

RRE:

REV response element

SCN:

Suprachiasmatic nucleus

TGF-α:

Transforming growth factor-α

UC-MSCs:

Umbilical cord-derived mesenchymal stem cells

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