颅放疗引起的认知功能障碍恢复干细胞移植策略

Summary

脑肿瘤患者定期接受颅放疗，而有益的，这种治疗方法往往衰弱的认知功能障碍的结果。这种严重的悬而未决的问题，目前，临床上无追索权，并推动我们努力制定基于干细胞疗法的辐射诱发的认知递减复苏。

Abstract

放射治疗往往提供的只有那些患有原发性或转移性脑肿瘤临床追索。同时有利于脑照射可诱发在认知的渐进性和破坏性的下降，部分原因，可能是引起神经干细胞的枯竭。鉴于诊断患有脑癌，认知健康生活质量的患者的存活率增加，已成为越来越多的关注，尤其是在没有任何令人满意的长期治疗。

为了解决这一严重的健康问题，我们使用干细胞替代作为一项战略，以打击辐射引起的认知功能下降。我们的模型采用无胸腺裸大鼠颅照射。电离辐射是要么全脑或作为一个高度集中的光束， 通过林耳朵ccelerator（加速器）的立体定向放射外科海马交付。两天后的照射下，胡stereotaxically人的神经干细胞（hNSCs）移植到海马。大鼠评估认知，嫁接细胞存活和分化特异性标志物1和照射后4个月的表达变化。我们的认知测试范例表明，与hNSCs嫁接的动物表现出显著改善认知功能。无偏体视显示1和4个月的嫁接细胞移植后，移植细胞的数量和类型依赖的显著生存（10-40％）。广泛栽种的细胞迁移，分化沿胶质细胞和神经细胞的谱系，并表示未成熟和成熟的表型标记的范围。

我们的数据表明，从嫁接的人类干细胞衍生的直接认知利益，表明此过程中，可能有一天买得起一个很有前途的战略长期功能恢复个人受到颅radiot认知herapy。为了促进传播必要的关键程序，复制和扩展我们的研究，我们已提供书面和视​​觉在我们的实验计划的几个关键步骤的文件，强调立体radiosurgey和移植。

Protocol

我们的实验计划是在图1示意图解。 1。人类神经干细胞（NS​​Cs）的生长和移植准备在这项研究中使用的EnStem细胞系（EMD的微孔）。神经干细胞多能标记nestin和SOX2的表达，为高层次和低层次的多能性标志物Oct – 4的有能力分化为多种神经细胞的表型，并保持正常的核型后，表达的制造商定期验证多个通道。我们的成长条件下，这些神经干细胞显示丰富的表达Sox2和巢，并保留自己的能力来区分，如前面描述 1 。神经干细胞生长聚L -鸟氨酸（20微克/毫升）和层粘连蛋白（5微克/毫升）涂层组织培养处理的烧瓶。细胞神经扩展介质，辅以L -谷氨酰胺（2毫米）（Millipore公司）和碱性成纤维细胞生长生长因子（bFGF的; 20毫微克/毫升）。神经干细胞贴壁单层传代，隔日（1:2）作为分解剂 1 accutase 。用于移植的研究，神经干细胞在通道10以下。 5 – 溴-2' – 脱氧尿苷（BrdU）标记神经干细胞移植前3天与4μm的BrdU增长媒体补充。为了验证BrdU标记指数（ 即 BrdU阳性细胞的百分比），细胞接种在玻片和BrdU使用标准的免疫组织化学方法检测处理。细胞移植利用常规展品标签超过90％2指数。另外，移植的人类干细胞被检测到使用人的具体核抗原标记（HuNu）2 。 移植当天，accutase和神经的扩张媒体预加热在37℃水浴。细胞放置在孵化中期（含10微米的神经扩展媒体Y – 27632）为一小时。 Y – 27632（石抑制剂，电解二氧化锰，Calbiochem）用于改善神经干细胞移植后的生存。 一个小时后，潜伏期媒体被删除，细胞与accutase治疗5分钟。这个简短的治疗后，加入同等体积的神经扩展媒体中的accutase和应变通过70微米的细胞滤网细胞。 血球计数细胞，并准备1.0 × 10 5住神经干细胞在注射液（神经扩充介质含有Y – 27632，40 ng / ml的碱性成纤维细胞生长因子，20 ng / ml的BDNF的10微米），每微升。 细胞在神经扩充媒体储存（如1.5所述），直到移植时保持冰，并应6h内使用，以尽量减少长时间冷藏细胞死亡。 2。放射治疗 – 治疗规划和照射镇静无胸腺裸大鼠（S）被放置在实验室的核磁共振成像扫描仪在容易发生positio n与卓越的最终头骨（第一头）。这3特斯拉的扫描仪是专为小动物扫描。它可以提供精美的软组织对比度高空间分辨率的横截面（轴向）图像。颅骨地区和形象厚度0.8毫米的22 T2加权像E60的集中扫描生成。这些图像提供必要的信息来确定范围内的老鼠的大脑左，右海马。 核磁共振成像扫描（24小时），动物镇静剂[麻醉的鸡尾酒（30毫克/千克，甲苯噻嗪，2.5毫克/千克和acepromazine，1毫克/公斤氯胺酮，）]和放置在一个放射肿瘤CT扫描仪另一横断面（轴向）生成图像体积。老鼠被放置在相同或接近相同的位置，用于核磁共振成像扫描和CT的单位设置为扫描颅骨区域。一个形象厚度0.8毫米的研究106 CT图像生成成为CT治疗计划数据。 治疗计划房委会“> MRI和CT图像数据被转移到蚀（瓦里安医疗系统，帕洛阿尔托，加利福尼亚）治疗计划软件通过DICOM（医学数字成像和通信）。 Eclipse是一个复杂的和市售的软件，在放射肿瘤学使用新型和外观设计的最佳辐射病人的治疗计划。它集成了器官的密度信息，提取CT图像数据，并用来计算身体内的辐射剂量分布。 封面使用一个小的只有头部的手术悬垂性暴露的动物。牢牢插入外耳道耳酒吧内的立体框架（基准数字，徕卡myNeurolab）动物的头。时要格外小心滑入耳道耳栏的一角。门齿栏挂钩老鼠的上切牙和栏的高度调整到标准的参考点，然后再拧紧鼻子钳。 位置中央头之间最小的横向运动（± 4毫米），以实现立体零耳酒吧。 在这个过程中的下一步是确定要使用辐照技术。 RapidArc形式的弧调强放射治疗（IMRT）和容积调制治疗（VMAT）2高精度照射技术，使用6 MV光子束提供辐射剂量 3-6 。这些技术之间的区别是，调强放射治疗提供了一个剂量使用多个静态轨迹每个对应一个不同的方向，但更适合非常小的目标卷的目标卷接轨。 RapidArc另一方面，通过对重点目标区域（ 图4）的一个或多个弧动态提供了一个剂量。 无论交付技术，目标剂量的信息，符合目标和重要器官的剂量约束要在Eclipse的剂量优化窗口进入。 T他的信息，以及与器官卷是用来定制的剂量分布，这是在不断变化的照射光束衰减来实现。 一旦计划生成，Eclipse提供计算剂量叠加轴向，冠状面和矢状面图像（ 图5）以及剂量体积直方图（DVH）格式（ 图6）。在这一点上，它是计划时，必须进行评估，以确定它是否适合于交付或需要加以改进。 辐射过程一旦计划被批准交付，从CT在Eclipse治疗计划数据生成的数字重建的X光片（DRR）图像。这些骨质密度加权突出的头骨和其他骨性标志性建筑的正交图像。此后，治疗计划和DRRS发送到提供治疗通过DICOM计算机系统。 输送系统控制在Varian三部曲直线加速器ñormally用于人类放疗。加速器配备120计算机控制的薄multileaf准直器（MLC）和诊断质量X射线成像系统，包括在主板上的成像系统（OBI）。这种提供系统上传Eclipse的具体信息，并重新配置提供计划剂量的加速器准直仪参数。 此时老鼠准备进行辐照，镇静剂和一张纸毯覆盖，以保持它的温暖。几分钟后，大鼠，其毯子，但与颅骨暴露，被放置在治疗表用来产生CT扫描同一位置。这是一个关键的一步，因为定位精度直接相关剂量交货的准确性。 一旦老鼠被定位正确的治疗表上，是一组正交的X射线图像使用的三部曲的欧倍德系统。这些高分辨率图像，随后融合到Eclipse生成ð DRRS使用欧倍德图像融合软件。 X射线图像和DRRS数字匹配使用软件提供上表中的位置必须作出转变，实现图像的合作（ 图 7）注册的信息。审查信息和验证，不小心带入加速器和治疗表之间的任何冲突所造成的转变后，计算机应用的转变和治疗表自动移动到所需位置。 在这一点上，开始照射。为了与6场调强放射治疗计划提供了10 Gy的剂量，束时间约10分钟，而两个弧RapidArc〜3分钟。治疗后，即完成交货，老鼠是从治疗室，并允许恢复保存在一个加热垫的控股笼。 3。海马内移植的人类干细胞立体定向手术一nimals畜牧业和手术的准备在这项研究中，我们采用了2个月的ATN大鼠从国立癌症研究所（株0N01训练班：NIH – RNU）收购。动物被关在无菌笼，并保持在温度和光控屏障 – 12-h/12-h光/暗周期的环境。大鼠蒸压食物和水随意和照顾是每星期清洗眼睛Vetropolycin眼膏（西医供应，阿卡迪亚，CA），以防止眼部感染。 对于立体定向手术麻醉，大鼠腹腔注射麻醉鸡尾酒（氯胺酮，30毫克/千克，甲苯噻嗪，2.5毫克/千克和acepromazine，1毫克/公斤）。完成麻醉诱导后10-15分钟，镇静监测使用扪反射（趾捏）。如果在手术过程中需要的，可给予15-20％的原剂量，以维持足够的麻醉。 从使用电动快船头皮毛。约为手术区的200％应剃光头发，以防止感染。清洁剃光部分使用providone /碘（3倍），其次是70％的酒精前切口（3次）。 立体定向手术立体定向仪器（数字显示器和帧），微电机钻，干涸的河床灭菌器和控制器应保持在层流罩，以防止在手术过程中在ATN的大鼠过程可能感染。可以使用一个嵌入式电热垫的立体舞台，在手术过程中保持温暖的动物。我们使用手术thoughout的“金佰利Safeskin紫色丁腈无菌检查手套”。这些手套是单独包装在无菌袋（货号55093）。此外，外科医生在手术过程中使用70％酒精喷雾消毒双手。 封面使用一个小的只有头部的手术悬垂性暴露的动物。动物头插入耳BA牢牢内的立体框架（基准数字，徕卡myNeurolab）RS进入外耳道。时要格外小心滑入耳道耳栏的一角。门齿栏挂钩老鼠的上切牙和栏的高度调整到标准的参考点，然后再拧紧鼻子钳。 中心的头部位置之间最小的横向运动（± 4毫米），以实现立体零耳酒吧。 这些定位步骤，适用于润滑眼膏，以防止干燥和保护他们免受可能的碘酒或酒精泄漏。在手术过程中，使用这药膏至少2次。 使用无菌手术刀沿头皮中线切开皮肤（2厘米），并清洁使用无菌棉放倒撒施。在尾鳍和颈部肌肉地区，避免损坏。 通过解剖拉钩，保持骨膜开放和明确的软组织，用棉倾斜涂药蘸1％的过氧化氢（的PBS）。止血，至少有1英里保持坚定的压力N使用棉头涂药或纱布。直到颅骨缝线，前囟和lambda是可见的，申请公司刮干净的头骨和涂抹对皮肤的议案的议案。 精确的立体坐标，参照前囟门，确定使用大鼠脑图谱 7 。干细胞移植是在四个不同地点使用下面的立体坐标为每个半球： Anterio后（AP）3.0毫米，从囟门，德尔梅迪奥外侧（ML）1.8毫米从中线，背腹（DV）3.2毫米从大脑表面。 AP，3.6毫米;毫升，2.5毫米的DV，3.2毫米 AP，4.2毫米，3.2毫米毫升; DV，3.2毫米 AP，4.2毫米，3.2毫米毫升; DV，3.2毫米前囟门已被确定后，所有三个坐标（AP，ML和DV）应归零数字显示/控制器（数字立体框架）。然后进行标记的精确移植网站（使用上述坐标）与细点记号笔在框架上的一个小探头支架。 通过使用脚踏板控制微电机钻（莱卡myNeurolab）的头骨上钻一个0.35毫米孔（1 / 4号牙科毛刺，碳化钒钻头）。注意避免损坏硬脑膜膜。如果出血发生在钻井过程中，适用于公司的压力，用棉倾斜涂药。请勿使用酒精或碘在演练现场，因为这将导致刺激的动物。 大鼠双侧海马内注射，暂停注射神经干细胞在1μL，5μL汉密尔顿microsyringe（规格30）的最大使用量。根据实验的细节，本卷内的细胞的确切数量会有所不同。而要做到这一点，microsyringe被连接到一个小探头支架上的立体框架。直至到达大脑的表面（ 即脑膜），小心地插入针在颅骨的一角。此时，DV的配TE上的数字显示/控制器应归零，然后轻轻地插入到所需的深度（DV，3.2毫米）的针。等待发起的任何细胞注射前1分钟。 注入0.25μL的体积/分钟（缓慢释放）使用一个计时器。共1μL注入后，等待从移植部位回缩针前8分钟。在此时间之后，慢慢地缩回从移植部位（0.5毫米/分钟）针针轨道，以防止通过毛细血管回流注射内容。 按照其余的移植网站（4）每半球步骤3.2（JK）。 从头骨取下的皮肤拉钩，用生硬的镊子轻轻地拉回来缩回的皮肤，并使用Autoclips手术缝合应用方（莱卡myNeurolab），适用于4-5无菌不锈钢剪辑。 从框架中取出的动物后，注入镇痛（Buprenorphin，0.1毫克/千克，SC，每12h）和乳酸林格氏液（5 mL/250克成年大鼠，SC）。 应该保持在一个加热垫，将它在笼中的动物回。监测动物，直到它变成自觉，然后返回其控股房间。放置一些沾在一个单独的每个动物笼中的Petri菜颗粒（动物州城）和transgel。另外，DietGel恢复（ClearH 2 O波特兰，ME）可以作为水分和养分的来源。 监视动物在他们的恢复时间和应用镇痛（丁丙诺啡0.02毫克/千克（每2天12小时）。检查疼痛，窘迫，发红或手术部位感染的迹象。应用providone /碘或neosporin软膏，每天一次（至2日-3日），以防止可能的感染。，如果感染，疼痛或痛苦的任何迹象，坚持在12个小时的手术内的镇痛药或抗生素治疗后，获得进一步的帮助或照顾动物的工作人员咨询兽医。 4。代表性的成果： iles/ftp_upload/3107/3107fig1.jpg“/> 图1：我们的实验计划的示意图。 图2 CT（骨解剖）和MRI（软组织）在Eclipse软件的图像融合。匹配轴向，冠状和矢状面的部分，允许每个成像方式所产生的大鼠脑的关键解剖特点的合作注册表。 图3。轮廓的大脑海马区域。图像融合后，不包括海马的海马和大脑识别和轮廓轴向定义这些机关的具体体积地区。这些地区提供必要的解剖和卷的信息，为调整剂量分布的预期目标（S）。 图4“SRC =”/ files/ftp_upload/3107/3107fig4.jpg“/> 图4。高精度照射强度调控放射治疗（IMRT）或容积调控弧形治疗（VMAT）选项使用RapidArc形式。这些技术提供了6 MV光子束为多个静态的轨迹，可以衔接在非常小的目标卷（IMRT）作为重点目标区域（RapidArc）一个或多个圆弧或动态。 图5。ECLIPSE的计算叠加轴位图像的剂量。剂量是单或双海马内照射治疗计划。 图6。日食计算剂量体积直方图。数据对比照射与非照射下单hippoc的海马体积百分比ampus的治疗方案如图。 5。 图7。图像引导放射治疗大鼠定位。正交数字重建的X光片（DRR）从CT在Eclipse治疗计划数据生成图像融合三部曲板上成像（欧倍德）系统所采取的治疗表大鼠正交X射线图像。 DRRS加权骨质密度，突出的头骨和其他骨性标志性建筑，促进合作与欧倍德图像登记。这些集的匹配提供治疗必须实现的CT和X射线图像的合作登记表中的位置的变化。 图8。立体定向手术后移植的神经干细胞的位置。在移植后1个月，动物灌注，大脑被sectioneD和用BrdU（检测移植的神经干细胞）和计数器染色与苏木染。针道（ 新台币 ，红色线），表明注射轨迹，存放在神经干细胞移植发布网站（TR），略低于胼胝体（CC）和CA1区以上。移植的神经干细胞显示广泛的整个主机海马齿状回，危险品;齿状回门区，卫生署; CA1和CA3子域;放大倍率X4 入门迁移。比例尺，200微米。

Discussion

相当多的研究正在进行中探索了无数的方法，干细胞可用于临床，以恢复正常功能，损坏，老化和病变^组织 8 。这些努力的最终实现将需要一个详细的了解，在完好的正常组织不同的独特的微环境，嫁接细胞的行为。我们的工作已经证明，内照射的组织床，颅嫁接的神经干细胞功能恢复的认知，他们生存，迁移和分化沿神经和神经^胶质谱系2。正是这些细胞是如何调解认知的恢复是目前的不确定性，但不依赖于进行了一系列精心控制的实验程序，在重现的方式。我们有详细的这些关键程序，在这里的努力，以加快缓解与相关的不良认知影响的干细胞疗法的翻译的潜力临床管理的大脑和其他形式的癌症。有可能有一个数据质量产生重大影响的其他注意事项强调如下。

的关键试剂，取决于干细胞移植为基础的疗法，而相应的，必须小心以正确的文化特征，保持无菌，并使用通过数字匹配结果的可靠性。移植的人类干细胞用BrdU标记在手术前，为客户提供跟踪它们在体内的手段之一。我们的实验条件下，移植的神经干细胞没有经过广泛的扩散，使稀释BrdU标签是没有问题的。另外，移植的人类干细胞可分辨从宿主细胞的核基质蛋白（H -国统会或^hNUMA）9或人类特有的核抗原^{（HuNu）2，}如人类的特异性标志物免疫。人类干细胞也可以标记各种荧光标记，以方便他们的身份，主机内的大脑。

注意照射参数定义精确的剂量交付技术，这里描述的模式，目前在放射肿瘤学临床实践。大脑的干细胞重现移植也很关键，是通过使用数字立体定位仪。正是micromanipulate干细胞移植在一个微量注射器像小海马脑结构的能力，大大减少了人为错误。有了这个仪器，神经干细胞移植后大鼠海马地区跨越前4个不同地点。背腹（DV）坐标测定的基础上无胸腺裸鼠（ATN）大鼠，手术过程不会造成损害海马²的经验。冠状切面显示一个通过大鼠脑海马形成包括关键结构uding齿状回（DG），齿状回门区（DH）和CA1区和CA3子域（ 图8）。移植的神经干细胞，背部，从有形的针道（新台币，红线）介绍重水复疑无路染色（褐色）细胞移植发布网站（TR）略低于胼胝体（CC），随后在整个的se​​pto迁移存放的可视化海马的时空轴。

Materials

Material Name	Type	Company	Catalogue Number	Comment
Digital Stereotaxic Instrument w/45° and 18° Earbars	Cranial transplantation surgical setup	Leica Microsystems (previously: MyNeuroLab)	39463501	Useful accessories: Stage with heater and variable current source (to maintain body temperature during surgery)