PLANT-DERIVED EXTRACELLULAR VESICLES IMPROVE ENDOTHELIAL VIABILITY AND REDUCE CYTOTOXICITY UNDER OXIDATIVE STRESS

Öz

Objective: Endothelial dysfunction is a central feature of cardiovascular and metabolic diseases and is closely linked to oxidative stress–induced cellular injury. Excessive reactive oxygen species production disrupts endothelial viability, membrane integrity, and redox balance. Plant-derived extracellular vesicles (PD-EVs) have emerged as biocompatible nanovesicles with antioxidant potential; however, their effects on endothelial cells under oxidative stress remain insufficiently characterized. This study aimed to evaluate the protective effects of PD-EVs on endothelial cells exposed to hydrogen peroxide–induced oxidative stress. Methods: Extracellular vesicles were isolated from pomegranate, grape, and beetroot using differential ultracentrifugation and characterized by protein quantification, dynamic light scattering, and electron microscopy. Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were exposed to hydrogen peroxide (H₂O₂) and subsequently treated with individual or combined PD-EVs. Cell viability and cytotoxicity were assessed using CCK-8 and LDH assays. Antioxidant responses were evaluated by quantitative real-time PCR analysis of GPX1 gene expression. Results: PD-EVs displayed nanoscale size and morphology consistent with extracellular vesicles. H₂O₂ exposure significantly reduced HUVEC viability and increased LDH release. PD-EV treatment significantly improved cell viability and reduced cytotoxicity under oxidative stress, with beetroot-derived and combined EV formulations showing the strongest effects. GPX1 expression was suppressed by H₂O₂ but significantly restored following PD-EV treatment, indicating activation of an adaptive antioxidant response. Conclusion: Plant-derived extracellular vesicles attenuate oxidative endothelial injury by improving cell viability, preserving membrane integrity, and restoring GPX1-associated antioxidant defenses. These findings highlight PD-EVs as a promising biocompatible, cell-free strategy for protecting endothelial cells against oxidative stress.

Anahtar Kelimeler

• Plant-derived extracellular vesicles (PD-EVs)
• Oxidative stress
• Endothelial cells
• Hydrogen peroxide (H₂O₂)
• Cell-free therapy

BİTKİ KAYNAKLI EKSTRASELÜLER VEZİKÜLLER OKSİDATİF STRES ALTINDA ENDOTELYAL HÜCRE CANLILIĞINI ARTIRIR VE SİTOTOKSİSİTEYİ AZALTIR

Öz

Amaç: Endotelyal disfonksiyon, kardiyovasküler ve metabolik hastalıkların temel bir özelliği olup oksidatif stres kaynaklı hücresel hasarla yakından ilişkilidir. Aşırı reaktif oksijen türleri (ROS) üretimi, endotel hücre canlılığını, membran bütünlüğünü ve redoks dengesini bozar. Bitki kaynaklı ekstraselüler veziküller (PD-EV’ler), antioksidan potansiyele sahip biyouyumlu nanoveziküller olarak öne çıkmaktadır; ancak oksidatif stres koşulları altında endotel hücreleri üzerindeki etkileri henüz yeterince aydınlatılmamıştır. Bu çalışmanın amacı, hidrojen peroksit ile indüklenen oksidatif stres koşullarında PD-EV’lerin endotel hücreleri üzerindeki koruyucu etkilerini değerlendirmektir. Yöntem: Ekstraselüler veziküller nar, üzüm ve pancardan diferansiyel ultrasantrifügasyon yöntemi ile izole edilmiş; protein miktarı tayini, dinamik ışık saçılımı ve elektron mikroskopisi ile karakterize edilmiştir. İnsan umblikal ven endotel hücreleri (HUVEC’ler) hidrojen peroksit (H₂O₂) ile oksidatif strese maruz bırakılmış ve ardından tekli veya kombine PD-EV uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Hücre canlılığı ve sitotoksisite sırasıyla CCK-8 ve LDH analizleri ile değerlendirilmiştir. Antioksidan yanıt, GPX1 gen ekspresyonunun kantitatif gerçek zamanlı PCR ile analizi yoluyla incelenmiştir. Bulgular: PD-EV’ler, ekstraselüler veziküllerle uyumlu nanoskalada boyut ve morfoloji sergilemiştir. H₂O₂ uygulaması HUVEC canlılığını anlamlı düzeyde azaltmış ve LDH salınımını artırmıştır. PD-EV tedavisi, oksidatif stres koşullarında hücre canlılığını anlamlı şekilde artırmış ve sitotoksisiteyi azaltmıştır; en belirgin koruyucu etkiler pancar kaynaklı ve kombine EV gruplarında gözlenmiştir. H₂O₂ ile baskılanan GPX1 ekspresyonunun PD-EV uygulaması sonrası anlamlı şekilde geri kazanılması, adaptif bir antioksidan yanıtın aktive edildiğini göstermiştir. Sonuç: Bitki kaynaklı ekstraselüler veziküller, hücre canlılığını artırarak, membran bütünlüğünü koruyarak ve GPX1 ilişkili antioksidan savunma mekanizmalarını yeniden düzenleyerek oksidatif endotelyal hasarı azaltmaktadır. Bu bulgular, PD-EV’lerin oksidatif strese karşı endotel hücrelerini korumada umut vadeden, biyouyumlu ve hücresiz bir terapötik strateji olduğunu ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Bitki kaynaklı ekstraselüler veziküller
• oksidatif stres
• Endotelyal hücreler
• Hidrojen peroksit
• hücre içermeyen tedavi yaklaşımı

Kaynakça

1. An Y, Xu B tuo, Wan S rong, et al. The role of oxidative stress in diabetes mellitus-induced vascular endothelial dysfunction. Cardiovasc Diabetol. 2023;22(1). doi:10.1186/s12933-023-01965-7
2. Chen X, Zhang W, Sun L, Lian Y. Tectorigenin protect HUVECs from H2O2-induced oxidative stress injury by regulating PI3K/Akt pathway. Tissue Cell. 2021;68. doi:10.1016/j.tice.2020.101475
3. İnce MN, Deveci Özkan A, Bezdegümeli E, Men AY, Küçükakça BN, Güney Eskiler G. The role of MEG3 in the activation of Toll Like Receptor 3 in prostate cancer cells. Sakarya Med J. Published online April 19, 2021. doi:10.31832/smj.874417
4. Kim J, Li S, Zhang S, Wang J. Plant-derived exosome-like nanoparticles and their therapeutic activities. Asian J Pharm Sci. 2022;17(1):53-69. doi:10.1016/j.ajps.2021.05.006
5. Kim JS, Song BJ, Cho YE. Pomegranate-derived exosome-like nanovesicles containing ellagic acid alleviate gut leakage and liver injury in MASLD. Food Sci Nutr. 2025;13(4). doi:10.1002/fsn3.70088
6. Korun ZEU, Halbutogullari ZS, Yazir Y, et al. Quercetin-loaded mesenchymal stem cell derived extracellular vesicles enhance ovarian function in a cyclophosphamide induced ovarian damage. J Ovarian Res. 2025;18(1). doi:10.1186/s13048-025-01838-5
7. Mahdipour E. Beta vulgaris juice contains biologically active exosome-like nanoparticles. Tissue Cell. 2022;76. doi:10.1016/j.tice.2022.101800
8. Shaito A, Aramouni K, Assaf R, et al. Oxidative stress-induced endothelial dysfunction in cardiovascular diseases. Front Biosci (Landmark Ed). 2022;27(3). doi:10.31083/j.fbl2703105

9. Shao M, Jin X, Chen S, Yang N, Feng G. Plant-derived extracellular vesicles—a novel clinical anti-inflammatory drug carrier worthy of investigation. Biomed Pharmacother. 2023;169. doi:10.1016/j.biopha.2023.115904
10. Sovunjov E, Halbutoğulları ZS, Gacar G, Öztürk A, Duruksu G, Yazır Y. Examining the effect of activated cytotoxic (CD8+) T-cell exosomes to the lung cancer. Med Oncol. 2023;40(12). doi:10.1007/s12032-023-02198-0
11. Wang M, Chen J, Chen W, et al. Grape-derived exosome-like nanovesicles effectively ameliorate skin photoaging by protecting epithelial cells. J Food Sci. 2025;90(6). doi:10.1111/1750-3841.70309
12. Zanotti C, Troise AD, Arena S, et al. Isolation of red beet plant-derived nanovesicles and characterization of their molecular content and biological activities in human cells. Int J Mol Sci. 2025;26(23):11261. doi:10.3390/ijms262311261