Ultralyd-guidede Intracardiac injeksjon for menneskelige stamceller å øke Homing til tarmen for bruk i Murine modeller av eksperimentelle inflammatorisk tarm sykdommer
Summary
Murine studier i modeller av colonic betennelse har vist at en liten prosentandel (1-5%) av mesenchymal stamceller (MSC) injiseres intravenøst eller intraperitoneally hjem til betent kolon1,2. Denne studien viser at ultralyd-guidede intracardiac injeksjoner av MSCs resultere i økt lokalisering til tarmen.
Abstract
Crohns sykdom (CD) er en vanlig kronisk inflammatorisk sykdom av små og store tarmen. Murine og menneskelige stamceller (MSCs) har suppressive potensial og har vist seg å undertrykke betennelse i musen modeller av tarm betennelse, selv om inntaksmetoden kan begrense deres homing og effektiviteten 1 , 3 , 4 , 5. lokal anvendelse av MSCs colonic skade modeller har vist større effekt på ameliorating betennelse i tykktarmen. Men er det mangelen på data om teknikker for å forbedre lokaliseringen av menneskelig bein margtransplantasjon-avledet MSCs (hMSCs) til tynntarm, området av betennelse i SAMP-1/YitFc (SAMP) modell av eksperimentelle Crohns sykdom. Dette verket beskriver en ny teknikk for ultralyd-guidede intracardiac injeksjon av hMSCs i SAMP mus, et godt karakterisert spontan modell av kronisk intestinal inflammasjon. Kjønn og alder-samsvar, betennelse-free AKR/J (AKR) mus ble brukt som kontroller. For å analysere biodistribution og lokaliseringen, ble hMSCs transduced med en lentivirus som inneholder en trippel reporter. Trippel reporteren besto av firefly luciferase (fl), for bioluminescent avbildning; monomerisk rød fluorescerende protein (mrfp), i celle sortering; og avkortede herpes simplex virus thymidine kinase (ttk), fantes et positron utslipp stengte (PET) tenkelig. Resultatene av denne studien viser at 24 timer etter den intracardiac administrasjonen, hMSCs lokalisere i tynntarmen SAMP mus i motsetning til betennelse-free AKR mus. Denne romanen, ultralyd-guidede injeksjon av hMSCs i venstre ventrikkel SAMP mus sikrer en høy suksessrate på cellen levering, slik at for rask utvinning av mus med minimal sykelighet og dødelighet. Denne teknikken kan være en nyttig metode for den forbedrede lokaliseringen av MSCs i andre modeller av små-tarm betennelse, for eksempel TNFΔRE6. Fremtidige studier vil avgjøre hvis den økte lokaliseringen av hMSCs av intra arteriell levering kan føre til økt terapeutiske effekten.
Introduction
Crohns sykdom (CD) er en vanlig kronisk inflammatorisk sykdom av små og store tarmen og er antatt å skyldes en upassende reaksjon av immunsystemet vert intestinal mikrober7,8. Nyere studier har vist at både murine og menneskelige stamceller (MSCs) kan undertrykke betennelse i musen modeller intestinale betennelsen1,3,4,5. Det er flere pågående kliniske forsøk som bruker menneskelige MSCs avledet fra benmarg eller fettvev for å behandle pasienter med inflammatorisk tarmsykdom (IBD), som inkluderer CD9. To ruter for MSC terapi har blitt brukt i disse kliniske forsøk: en innebærer systemisk infusjon (dvs. intravenøst) av MSCs for luminal IBD (inkludert CD), og den andre innebærer lokaliserte søknad/injeksjon av stamceller i fistel skrift av pasienter med perianale CD. I en nylig meta-analyse av MSC terapi for IBD systemisk (dvs. intravenøs) MSC terapi for luminal IBD (inkludert CD) var effektiv i opp til 40% (95% CI: 7-79%) pasienter, mens effekten var mye høyere, 61% (95% CI: 36-85%), når MSCs ble injisert lokalt i syke CD fistel9. En siste fase III multisenter randomisert placebo kontrollerte studie av allogene adipose stamceller injiseres direkte til perianale fistel CD pasienter viste statistisk signifikant klinisk og radiologiske tegn til perianale fistulae healing, bekrefter funnene i meta-analyse10. Årsakene til lav effekten av MSC terapi gitt intravenøst for luminal CD har blitt mangelfullt undersøkt, men en grunn kan være utilstrekkelig homing av MSCs til området av betennelse. Murine studier i modeller av colonic betennelse har vist at bare en liten prosentandel av MSCs (1-5%) injiseres intravenøst når betent tykktarmen; de gjenværende MSCs er filtrert av lungene (første-pass effekt)1,2 ,5,11,12. Flere murine undersøkelser har derfor brukt intraperitoneal ruten (IP) for MSC administrasjon i dyremodeller kolitt4. Men har de også vist at bare en liten brøkdel av cellene nå og engraft kolon og at effekten er knyttet til utskillelsen av løselig paracrine faktorer, som tumor nekrose faktor-induserbart genet 6 protein (TSG-6)2. MSC mekanisme immunsuppresjon og helbredelse innebærer en multipronged tilnærming som innebærer paracrine; cellen nærhet-uavhengige faktorer, som TSG-6; og nærhet-avhengige faktorer, som programmert død-ligand 1 (PD-L1); eller Jagged 1. MSC lokalisering til området av betennelse kan derfor føre til økt effekt9,13. Faktisk viste en fersk studie at MSCs direkte implantert på stedet av colonic skade resulterte i healing av sekresjon angiogenese-fremme vaskulær endotelial vekstfaktor (VEGF). På den annen side, ble en minimal helbredende effekt bemerket etter intravenøs injeksjon5. For å øke deres lokalisering til området av betennelse (dvs. tynntarmen i SAMP mus), ble denne ultralyd-guidede intracardiac injeksjon teknikken for MSC administrasjon i venstre ventrikkel utviklet. Bilde-guidede injeksjon sikrer en nøyaktig injeksjon, noe som fører til en høyere rate av suksess og til redusert sykelighet og dødelighet. Videre leverer injeksjon av MSCs i venstre ventrikkel dem til arterial sirkulasjon, der de kan nå betent tynntarmen før bli fanget i lungene.
I denne studien var menneskelige Ben margtransplantasjon-avledet MSCs (hMSCs) brukes for injeksjon i SAMP-1/YitFc (SAMP) murine modellen CD14. SAMP er en godt karakterisert spontan murine modell av kronisk betennelse som utvikler små-tarm betennelse med nesten 100% penetrance14. Betennelse utvikler svar mikroflora i fravær av kjemiske, immunologiske eller genetisk manipulasjon og ligner menneskelige CD11. Kjønn og alder-matchet betennelse-free AKR/J (AKR) mus, foreldrekontroll musene av SAMP, ble brukt i denne studien.
HMSCs ble isolert og utvidet i laboratoriet fra benmargen (BM) prøver innhentet fra normal, uidentifisert givere etter samtykke bruker godkjent og publisert tidligere protokoller15,16. Etter isolasjon og utvidelse, MSC evne i osteogenic, adipogenic, og chondrogenic differensiering ble vurdert i laboratoriet av flere analyser15. Osteogenic funksjonelle analysen ble utført av implanting keramiske kuber av hydroxyapatite/tricalcium fosfat matrise som inneholder hMSCs subcutaneously i immunsupprimerte CB17-Prkdc-SCID mus17. Cube analysen er viser osteogenesis og chondrogenesis potensielle og den ultimate testen for å vurdere personlige MSC forberedelser17. For å visualisere hMSCs i vivo etter injeksjon, ble lentivirus brukt til å transduce hMSCs med trippel reporter genet konstruere som består av firefly luciferase (fl), monomerisk rød fluorescerende protein (mRFP) og herpes simplex virus thymidine kinase (ttk ), drevet av en modifisert myeloproliferative sarkomspesialitet virus (mnd) promoter18. Firefly luciferase i trippel reporteren er et enzym som konverterer injisert luciferin til oxyluciferin i hMSCs og produserer fotoner/hvitt lys. Dette oppdages av sensitive kostnader – sammen enhet (CCD) kameraet (bioluminescens) i en i vivo optisk tenkelig system, muliggjør visualisering av live hMSCs i mus. Bioluminescens imaging (BLI) er en følsom teknikk som kan brukes serielt for sporing celler og ex vivo analyse. Bruk av en sterk mnd promoter kjører kontinuerlig uttrykk for trippel fusion reporter genet Konstruer og tillater avbilding av injisert hMSCs i mer enn 16 uker19. HMSCs er vanskelig å transduce og har en lav signaltransduksjon effektivitet. Bruker en optimalisert protokollen, hMSCs signaltransduksjon effektiviteten ble forbedret og transgene uttrykket ble forbedret18. Bruker mRFP uttrykk (en av trippel reporter genene) på flowcytometri, ble muligheten til å transduce hMSCs med høy effektivitet på opptil 83% demonstrert. Differensiering analyser og i vivo kube analyser vist evne til den transduced hMSCs å skille ut chondrocytes, adipocytter og osteocytes17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne studien beskriver en ny teknikk for ultralyd-guidede intracardiac injeksjon av hMSCs i en liten-tarm musemodell av eksperimentelle CD. Denne teknikken har meget høy rate av overlevelse og suksess, som banen nålen kan bli justert basert på sanntid, høyoppløselige bilder av musen venstre ventrikkel, levert av ultralyd. Fordelen med levering til venstre ventrikkel er at hMSCs fordeles deretter intra-arterially og omkjøringsvei venøs sirkulasjon, dermed unngår aggregering av celler i lungene. Tidligere brukte a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Maneesh Dave støttes av Forsvarsdepartementet grant PR141774 og Crohns og kolitt Foundation of America karriere Development Award. Laboratoriet av Fabio Cominelli støttes av NIH gir DK042191 (FC), DK055812 (FC), DK091222 (FC) og DK07948 (FC). Laboratoriet av Arnold Caplan støttes delvis av L. David og E. Virginia Baldwin Foundation. Virkemiddelapparat ikke hadde noen rolle i studien analyse eller skriving av manuskriptet. Innholdet er ansvar forfatterne.
Materials
| DMEM-LG | Gibco | 31600-091 | |
| 0.25% trypsin-EDTA | Gibco | 25-200-072 | |
| Proteamine Sulfate | Sigma Aldrich | P4020-1G | |
| D-Luciferin | Goldbio | luck-500 | |
| Fetal Bobine Serum | Gibco | 26140-079 | |
| Antibiotic-Antimycotic | Gibco | 15240-062 | |
| PBS | HyClone | SH30256.01 | |
| 175 cm tissue cutlure flasks | Corning | 431080 | |
| 75 cm tissue cutlure flasks | Corning | 430720 | |
| Centrifuge tubes | Crysalgen | 23-2265 | |
| Tissue-Plus O.C.T. compound | Fisher HealthCare | 4585 | |
| Cryomold Standard | Tissue-Tek | 4557 | |
| Lenti-Pac HIV Expression Packaging System | GeneCopoeia | HPK-LvTR-20 | |
| Povidone Ionidine swabs | Medline | MDS093901 | |
| Hair removal cream | Nair | N/A | |
| Isoflurane | Piramal Helathcare | NDC 66794 013 25 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11200-33 | |
| Dissection scissors (Wagner) | Fine Science Tools | Wagner 14068-12 | |
| Puralube vet ointment | Puralube | NDC 17033-211-38 | |
| Aquasonic 100 ultrasound transmission gel | Parker laboratories | 01 08 | |
| Petri dish | Fisher Scientific | FB0875711A | |
| SAMP mice | Cleveland Digestive Disease Research Core Centre | ||
| AKR mice | Cleveland Digestive Disease Research Core Centre | ||
| Vevo 770 imaging system | Visual Sonics, Toronto, Canada | ||
| IVIS spectrum series system | PerkinElmer, Waltham, MA | ||
| Living image software | CaliperLifeSciences, PerkinElmer, Waltham, MA | ||
| Triple reporter | Kindly provided by Dr. Zheng- Hong Lee, CWRU, (citation 19) | ||
References
- Duijvestein, M., et al. Pretreatment with interferon-gamma enhances the therapeutic activity of mesenchymal stromal cells in animal models of colitis. Stem Cells. 29 (10), 1549-1558 (2011).
- Sala, E., et al. Mesenchymal Stem Cells Reduce Colitis in Mice via Release of TSG6, Independently of Their Localization to the Intestine. Gastroenterology. 149 (1), 163-176 (2015).
- Gonzalez, M. A., Gonzalez-Rey, E., Rico, L., Buscher, D., Delgado, M. Adipose-derived mesenchymal stem cells alleviate experimental colitis by inhibiting inflammatory and autoimmune responses. Gastroenterology. 136 (3), 978-989 (2009).
- Dave, M., et al. Stem cells for murine interstitial cells of cajal suppress cellular immunity and colitis via prostaglandin e2 secretion. Gastroenterology. 148 (5), 978-990 (2015).
- Manieri, N. A., et al. Mucosally transplanted mesenchymal stem cells stimulate intestinal healing by promoting angiogenesis. J. Clin. Invest. 125 (9), 3606-3618 (2015).
- Kontoyiannis, D., Pasparakis, M., Pizarro, T. T., Cominelli, F., Kollias, G. Impaired on/off regulation of TNF biosynthesis in mice lacking TNF AU-rich elements: implications for joint and gut-associated immunopathologies. Immunity. 10 (3), 387-398 (1999).
- Abraham, C., Cho, J. H. Inflammatory bowel disease. N. Engl. J. Med. 361 (21), 2066-2078 (2009).
- Dave, M., Papadakis, K. A., Faubion, W. A. Immunology of inflammatory bowel disease and molecular targets for biologics. Gastroenterol. Clin. North Am. 43 (3), 405-424 (2014).
- Dave, M., et al. Mesenchymal Stem Cell Therapy for Inflammatory Bowel Disease: A Systematic Review and Meta-analysis. Inflamm. Bowel Dis. 21 (11), 2696-2707 (2015).
- Panes, J., et al. Expanded allogeneic adipose-derived mesenchymal stem cells (Cx601) for complex perianal fistulas in Crohn’s disease: a phase 3 randomised, double-blind controlled trial. Lancet. 388 (10051), (2016).
- Lee, R. H., et al. Intravenous hMSCs improve myocardial infarction in mice because cells embolized in lung are activated to secrete the anti-inflammatory protein TSG-6. Cell Stem Cell. 5 (1), 54-63 (2009).
- Gao, J., Dennis, J. E., Muzic, R. F., Lundberg, M., Caplan, A. I. The dynamic in vivo distribution of bone marrow-derived mesenchymal stem cells after infusion. Cells Tissues Organs. 169 (1), 12-20 (2001).
- English, K. Mechanisms of mesenchymal stromal cell immunomodulation. Immunol Cell Biol. 91 (1), 19-26 (2013).
- Pizarro, T. T., et al. SAMP1/YitFc mouse strain: a spontaneous model of Crohn’s disease-like ileitis. Inflamm. Bowel Dis. 17 (12), 2566-2584 (2011).
- Lennon, D. P., Caplan, A. I. Isolation of human marrow-derived mesenchymal stem cells. Exp. Hematol. 34 (11), 1604-1605 (2006).
- Lin, P., et al. Serial transplantation and long-term engraftment of intra-arterially delivered clonally derived mesenchymal stem cells to injured bone marrow. Mol. Ther. 22 (1), 160-168 (2014).
- Dennis, J. E., Caplan, A. I. Porous ceramic vehicles for rat-marrow-derived (Rattus norvegicus) osteogenic cell delivery: effects of pre-treatment with fibronectin or laminin. J. Oral Implantol. 19 (2), 106-115 (1993).
- Lin, P., et al. Efficient lentiviral transduction of human mesenchymal stem cells that preserves proliferation and differentiation capabilities. Stem Cells Transl. Med. 1 (12), 886-897 (2012).
- Love, Z., et al. Imaging of mesenchymal stem cell transplant by bioluminescence and PET. PET. J. Nucl. Med. 48 (12), 2011-2020 (2007).
- Haynesworth, S. E., Goshima, J., Goldberg, V. M., Caplan, A. I. Characterization of cells with osteogenic potential from human marrow. Bone. 13 (1), 81-88 (1992).
- Ishizaka, S., et al. Intra-arterial cell transplantation provides timing-dependent cell distribution and functional recovery after stroke. Stroke. 44 (3), 720-726 (2013).
- Schenk, S., et al. Monocyte chemotactic protein-3 is a myocardial mesenchymal stem cell homing factor. Stem Cells. 25 (1), 245-251 (2007).
- Hayashi, Y., et al. Topical implantation of mesenchymal stem cells has beneficial effects on healing of experimental colitis in rats. J. Pharmacol. Exp. Ther. 326 (2), 523-531 (2008).
- Kodani, T., et al. Flexible colonoscopy in mice to evaluate the severity of colitis and colorectal tumors using a validated endoscopic scoring system. J. Vis. Exp. (80), e50843 (2013).
