Intra-arteriell leverans av neurala stamceller till råtta och mus hjärnan: Ansökan till cerebral ischemi
Summary
En metod för att leverera neurala stamceller, anpassningsbar för injicering av lösningar eller suspensioner, genom den gemensamma halspulsådern (mus) eller yttre halspulsådern (råtta) efter ischemisk stroke rapporteras. Injicerade celler distribueras i stort sett i hjärnan parenkym och kan upptäckas upp till 30 d efter leverans.
Abstract
Neuralstamcellsterapi (NSC) terapi är en framväxande innovativ behandling för stroke, traumatisk hjärnskada och neurodegenerativa sjukdomar. Jämfört med intrakraniell leverans, intraarteriell administrering av NSCs är mindre invasiv och producerar en mer diffus fördelning av NSCs i hjärnan parenkym. Ytterligare, intra-arteriell leverans tillåter första passagen effekt i hjärnan cirkulationen, minska risken för fångst av celler i perifera organ, såsom lever och mjälte, en komplikation i samband med perifera injektioner. Här beskriver vi metoden, hos både möss och råttor, för leverans av NSCs genom den gemensamma halspulsådern (mus) eller yttre halspulsådern (råtta) till den ensidiga halvklotet efter en ischemisk stroke. Med hjälp av GFP-märkta NSCs, illustrerar vi den utbredda fördelningen uppnås i hela gnagare ipsilateral halvklotet på 1 d, 1 vecka och 4 veckor efter postischemic leverans, med en högre densitet i eller nära ischemisk skada webbplats. Förutom långsiktig överlevnad visar vi tecken på differentiering av GFP-märkta celler vid 4 veckor. Den intraarteriösa leveransmetod som beskrivs här för NSC kan också användas för administrering av terapeutiska föreningar, och har därmed bred tillämplighet på olika CNS skada och modeller sjukdom över flera arter.
Introduction
Stamcellsterapi (SC) har en enorm potential som behandling för neurologiska sjukdomar, inklusive stroke, skallskada och demens1,,2,3,,4,5,6. En effektiv metod för att leverera exogenacs till den sjuka hjärnan är dock fortfarande problematisk2,,6,7,8,9,10,,11,12,13. SCs levereras genom perifera leveransvägar, inklusive intravenös (IV) eller intraperitoneal (IP) injektion, är föremål för första passage filtrering i mikrocirkulationen, särskilt i lungan, lever, mjälte och muskel8,9,13,14, ökar chanserna för ansamling av celler i icke-målområden. Den invasiva intrakningsmetoden resulterar i lokaliserad hjärnvävnadsskada och en mycket begränsad fördelning av SCs nära injektionsstället2,,6,,8,,14,,15,16. Vi har nyligen etablerat en kateter-baserade intra-arteriell injektion metod för att leverera exogena neurala SCs (NSCs), som beskrivs här tillämpas i en gnagare modell av focal ischemisk stroke. Vi inducerar transient (1 h) ischemi-reperfusion skada på ett halvklot med hjälp av en silikon gummibelagd glödtråd att ockludera den vänstra mellersta cerebralartär (MCA) i musen eller råtta17,18,19. I denna modell har vi reproducerbart observerat cirka 75-85% depression av cerebralt blodflöde (CBF) i ensidig halvklot med Laser Doppler eller Laser speckle imaging17,19, vilket ger konsekvent neurologiska underskott17,18,19.
För tidsbesparande ändamål är videon inställd på att spela dubbelt så snabbt och rutinmässiga kirurgiska ingrepp såsom hudberedning och sårstängning med sutur och användning och inställning av den motoriserade sprutpumpen presenteras inte. Metoden för intraarteriell leverans av NSCs visas i samband med den mellersta cerebrala gatan ocklusion (MCAO) modell av experimentell stroke hos gnagare. Därför inkluderar vi den övergående ischemisk stroke förfarande för att senare visa hur den andra operationen, den intraarteriella injektionen, utförs med hjälp av tidigare kirurgiska webbplats på samma djur. Möjligheten att intraarteriell NSC leverans i gnagare stroke modeller visas genom att bedöma fördelningen och överlevnaden av exogena NSCs. Effekten av NSC terapi för att dämpa hjärnan patologi och neurologisk dysfunktion kommer att rapporteras separat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stamcellsterapi för neurologiska sjukdomar är fortfarande i ett tidigt utforskande skede. En viktig fråga är att det inte finns någon etablerad metod för tillräcklig leverans av SCs eller NSCs i hjärnan.
Även om exogena SCs/NSCs kan detekteras i hjärnan efter intravenös (IV), intraperitoneal (IP) eller intraparenchymal/intracerebral injektion, har varje leverans tillvägagångssätt nackdelar. Den detekterbara populationen i hjärnan uppskattas vara mycket låg med perifer injektion…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av följande: AHA Award 14SDG20480186 för LC, Ämnesinnovation team av Shanxi University of Chinese Medicine 2019-QN07 för BZ, och Kentucky Spinal Cord and Head Injury Research Trust grant 14-12A för KES och 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).
