Intraarteriell levering av nevrale stamceller til rotte- og mushjernen: Søknad om cerebral iskemi
Summary
En metode for å levere nevrale stamceller, tilpasningsdyktig for sprøyteløsninger eller suspensjoner, gjennom den vanlige halspulsåren (mus) eller ekstern halspulsåren (rotte) etter iskemisk slag er rapportert. Injiserte celler distribueres bredt gjennom hele hjernen parenchyma og kan oppdages opp til 30 d etter levering.
Abstract
Neural stamcelle (NSC) terapi er en nyskapende behandling for hjerneslag, traumatisk hjerneskade og nevrodegenerative lidelser. Sammenlignet med intrakraniell levering er intraarteriell administrering av NSCer mindre invasiv og gir en mer diffus fordeling av NSCer i hjerneparenchyma. Videre, intra-arteriell levering tillater første-pass effekt i hjernen sirkulasjon, redusere potensialet for fangst av celler i perifere organer, som lever og milt, en komplikasjon forbundet med perifere injeksjoner. Her beskriver vi metodikken, både i mus og rotter, for levering av NSCer gjennom den vanlige halspulsåren (mus) eller ekstern halspulsåren (rotte) til den ipsilaterale halvkule etter et iskemisk slag. Ved hjelp av GFP-merkede NSCer illustrerer vi den utbredte fordelingen oppnådd gjennom gnager ipsilateral halvkule ved 1 d, 1 uke og 4 uker etter postischemic levering, med en høyere tetthet i eller i nærheten av iskemisk skadested. I tillegg til langsiktig overlevelse viser vi tegn på differensiering av GFP-merkede celler ved 4 uker. Den intraarterielle leveringstilnærmingen som er beskrevet her for NSCer, kan også brukes til administrering av terapeutiske forbindelser, og har dermed bred anvendelighet til varierte CNS-skade- og sykdomsmodeller på tvers av flere arter.
Introduction
Stamcellebehandling (SC) har et enormt potensial som behandling for nevrologiske sykdommer, inkludert hjerneslag, hodetraumer og demens1,,2,,3,,4,,5,6. En effektiv metode for å levere eksogene SCer til den syke hjernen er imidlertid fortsatt problematisk2,,6,7,8,9,10,11,12,13. SCer levert gjennom perifere leveringsruter, inkludert intravenøs (IV) eller intraperitoneal (IP) injeksjon, er gjenstand for førstepassfiltrering i mikrosirkulasjonen, spesielt i lunge-, lever-, milt- og muskel8,,9,,13,14,noe som øker sjansene for akkumulering av celler i ikke-målområder. Den invasive intracerebral injeksjon metoden resulterer i lokaliserte hjernevev skade og en svært begrenset fordeling av SCs nær injeksjonsstedet2,,6,8,14,15,16. Vi har nylig etablert en kateterbasert intraarteriell injeksjonsmetode for å levere eksogene nevrale SCer (NSCer), som er beskrevet her brukt i en gnagermodell av fokal iskemisk slag. Vi induserer forbigående (1 h) iskemi-reperfusjonsskade på en halvkule ved hjelp av en silikongummibelagt filament for å okkludere venstre midtre cerebral arterie (MCA) i musen eller rotte17,18,19. I denne modellen har vi reprodusert observert ca 75-85% depresjon av cerebral blodstrøm (CBF) i ipsilateral halvkule med Laser Doppler eller Laser speckle imaging17,19, noe som gir konsekvent nevrologiske underskudd17,18,19.
For tidsbesparende formål er videoen satt til å spille med dobbelt så høy hastighet og rutinemessige kirurgiske prosedyrer som hudforberedelse og sårlukking med sutur og bruk og oppsett av den motoriserte sprøytepumpen, presenteres ikke. Metoden for intraarteriell levering av NSCer er demonstrert i sammenheng med den midterste cerebrale arterieklusjonsmodellen (MCAO) av eksperimentelt slag hos gnagere. Derfor inkluderer vi den forbigående iskemiske slagprosedyren for senere å demonstrere hvordan den andre operasjonen, den intraarteriske injeksjonen, utføres ved hjelp av det forrige kirurgiske stedet på samme dyr. Muligheten for intraarteriell NSC-levering i gnagerslagmodeller demonstreres ved å vurdere fordelingen og overlevelsen av eksogene NSCer. Effekten av NSC-behandling for å dempe hjernepatologi og nevrologisk dysfunksjon vil bli rapportert separat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stamcellebehandling for nevrologiske sykdommer er fortsatt på et tidlig utforskende stadium. Et stort problem er at det ikke finnes noen etablert metode for tilstrekkelig levering av SCer eller NSCer i hjernen.
Selv om eksogene SCer/NSCer kan påvises i hjernen etter intravenøs (IV), intraperitoneal (IP) eller intraparenchymal/intracerebral injeksjon, har hver leveringstilnærming ulemper. Den påvisbare populasjonen i hjernen anslås å være svært lav med perifer injeksjon (IV eller IP), …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av følgende: AHA Award 14SDG20480186 for LC, Subject innovation team of Shanxi University of Chinese Medicine 2019-QN07 for BZ, og Kentucky Spinal Cord og Head Injury Research Trust grant 14-12A for KES og LC.
Materials
| 20 G needle | Becton & Dickinson | BD PrecisionGlide 305175 | preparation of injection catheter |
| 26 G needle | Becton & Dickinson | BD PrecisionGlide 305111 | preparation of injection catheter |
| 27 G needle | Becton & Dickinson | BD PrecisionGlide 305136 | preparation of injection catheter |
| 4-0 NFS-2 suture with needle | Henry Schein Animal Health | 56905 | surgery |
| 6-0 nylon suture | Teleflex/Braintree Scientific | 104-s | surgery |
| Accutase | STEMCELL Technologies | 7922 | cell detachment solution |
| blade | Bard-Parker | 10 | surgery |
| Buprenorphine-SR Lab | ZooPharm | Buprenorphine-SR Lab® | analgesia (0.6-1 mg/kg over 3 d) |
| Calcium/magnisum free PBS | VWR | 02-0119-0500 | NSC dissociation |
| DCX antibody | Millipore | AB2253 | immunostaining |
| GFAP antibody | Invitrogen | 180063 | immunostaining |
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 50562-1 | surgery |
| MCAO filament for mouse | Doccol | 702223PK5Re | surgery |
| MCAO filament for rat | Doccol | 503334PK5Re | surgery |
| MRE010 catheter | Braintree Scientific | MRE010 | preparation of injection catheter |
| MRE025 catheter | Braintree Scientific | MRE025 | preparation of injection catheter |
| MRE050 catheter | Braintree Scientific | MRE050 | preparation of injection catheter |
| Nu-Tears Ointment | NuLife Pharmaceuticals | Nu-Tears Ointment | eye care during surgery |
| S&T Forceps – SuperGrip Tips JF-5TC Angled | Fine Science Tools | 00649-11 | surgery |
| S&T Forceps – SuperGrip Tips JF-5TC Straight | Fine Science Tools | 00632-11 | surgery |
| Superglue | Pacer Technology | 15187 | preparation of injection catheter |
| syringe pump | Kent Scientific | GenieTouch | surgery |
| Tuj1 antibody | Millipore | MAb1637 | immunostaining |
| two-component 5 minute epoxy | Devcon | 20445 | preparation of injection catheter |
| Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-08 | surgery |
| vascular clamps | Fine Science Tools | 00400-03 | surgery |
| Zeiss microscope | Zeiss | Axio Imager 2 | microscopy |
Riferimenti
- Wang, Y. Stroke research in 2017: surgical progress and stem-cell advances. The Lancet. Neurology. 17, 2-3 (2018).
- Bliss, T., Guzman, R., Daadi, M., Steinberg, G. K. Cell transplantation therapy for stroke. Stroke. 38, 817-826 (2007).
- Boese, A. C., Le, Q. E., Pham, D., Hamblin, M. H., Lee, J. P. Neural stem cell therapy for subacute and chronic ischemic stroke. Stem Cell Research & Therapy. 9, 154 (2018).
- Kokaia, Z., Llorente, I. L., Carmichael, S. T. Customized Brain Cells for Stroke Patients Using Pluripotent Stem Cells. Stroke. 49, 1091-1098 (2018).
- Savitz, S. I. Are Stem Cells the Next Generation of Stroke Therapeutics. Stroke. 49, 1056-1057 (2018).
- Wechsler, L. R., Bates, D., Stroemer, P., Andrews-Zwilling, Y. S., Aizman, I. Cell Therapy for Chronic Stroke. Stroke. 49, 1066-1074 (2018).
- Muir, K. W. Clinical trial design for stem cell therapies in stroke: What have we learned. Neurochemistry International. 106, 108-113 (2017).
- Guzman, R., Janowski, M., Walczak, P. Intra-Arterial Delivery of Cell Therapies for Stroke. Stroke. 49, 1075-1082 (2018).
- Misra, V., Lal, A., El Khoury, R., Chen, P. R., Savitz, S. I. Intra-arterial delivery of cell therapies for stroke. Stem Cells and Development. 21, 1007-1015 (2012).
- Argibay, B., et al. Intraarterial route increases the risk of cerebral lesions after mesenchymal cell administration in animal model of ischemia. Scientific Reports. 7, 40758 (2017).
- Kelly, S., et al. Transplanted human fetal neural stem cells survive, migrate, and differentiate in ischemic rat cerebral cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, 11839-11844 (2004).
- Chen, L., Swartz, K. R., Toborek, M. Vessel microport technique for applications in cerebrovascular research. Journal of Neuroscience Research. 87, 1718-1727 (2009).
- Fischer, U. M., et al. Pulmonary passage is a major obstacle for intravenous stem cell delivery: the pulmonary first-pass effect. Stem Cells and Development. 18, 683-692 (2009).
- Misra, V., Ritchie, M. M., Stone, L. L., Low, W. C., Janardhan, V. Stem cell therapy in ischemic stroke: role of IV and intra-arterial therapy. Neurology. 79, 207-212 (2012).
- Muir, K. W., Sinden, J., Miljan, E., Dunn, L. Intracranial delivery of stem cells. Translational Stroke Research. 2, 266-271 (2011).
- Boltze, J., et al. The Dark Side of the Force – Constraints and Complications of Cell Therapies for Stroke. Frontiers in Neurology. 6, 155 (2015).
- Huang, C., et al. Noninvasive noncontact speckle contrast diffuse correlation tomography of cerebral blood flow in rats. Neuroimage. 198, 160-169 (2019).
- Wong, J. K., et al. Attenuation of Cerebral Ischemic Injury in Smad1 Deficient Mice. PLoS One. 10, 0136967 (2015).
- Zhang, B., et al. Deficiency of telomerase activity aggravates the blood-brain barrier disruption and neuroinflammatory responses in a model of experimental stroke. Journal of Neuroscience Research. 88, 2859-2868 (2010).
- Walker, T. L., Yasuda, T., Adams, D. J., Bartlett, P. F. The doublecortin-expressing population in the developing and adult brain contains multipotential precursors in addition to neuronal-lineage cells. The Journal of Neuroscience. 27, 3734-3742 (2007).
- Progatzky, F., Dallman, M. J., Lo Celso, C. From seeing to believing: labelling strategies for in vivo cell-tracking experiments. Interface Focus. 3, 20130001 (2013).
- Bertrand, L., Dygert, L., Toborek, M. Induction of Ischemic Stroke and Ischemia-reperfusion in Mice Using the Middle Artery Occlusion Technique and Visualization of Infarct Area. Journal of Visualized Experiments. , (2017).
- Leda, A. R., Dygert, L., Bertrand, L., Toborek, M. Mouse Microsurgery Infusion Technique for Targeted Substance Delivery into the CNS via the Internal Carotid Artery. Journal of Visualized Experiments. , (2017).
- Chua, J. Y., et al. Intra-arterial injection of neural stem cells using a microneedle technique does not cause microembolic strokes. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 31, 1263-1271 (2011).
- Potts, M. B., Silvestrini, M. T., Lim, D. A. Devices for cell transplantation into the central nervous system: Design considerations and emerging technologies. Surgical Neurology International. 4, 22-30 (2013).
- Duma, C., et al. Human intracerebroventricular (ICV) injection of autologous, non-engineered, adipose-derived stromal vascular fraction (ADSVF) for neurodegenerative disorders: results of a 3-year phase 1 study of 113 injections in 31 patients. Molecular Biology Reports. 46, 5257-5272 (2019).
