Intratracheale instillatie van stamcellen in term neonatale ratten
Summary
Beschreven is een protocol voor het uitvoeren van intratracheale transplantatie van mesenchymale stromale cellen (MSC’s) door intratracheale injectie in term neonatale ratten. Deze techniek is een klinisch haalbare optie voor de levering van stamcellen en geneesmiddelen in neonatale rattenlongen om hun werkzaamheid te evalueren.
Abstract
Langdurige blootstelling aan hoge concentraties zuurstof leidt tot ontsteking en acute longletsel, die vergelijkbaar is met menselijke bronchopulmonale dysplasie (BPS). Bij premature baby’s is BPD een belangrijke complicatie ondanks het vroege gebruik van oppervlakteactieve therapie, optimale ventilatiestrategieën en niet-invasieve positieve drukventilatie. Omdat longontsteking een cruciale rol speelt in de pathogenese van BPD, corticosteroïdengebruik is een potentiële behandeling om het te voorkomen. Niettemin wordt systemische corticosteroïdenbehandeling meestal niet aanbevolen voor te vroeg geboren baby’s als gevolg van langdurige bijwerkingen. Preklinische studies en klinische studies van de menselijke fase I toonden aan dat het gebruik van mesenchymale stromale cellen (MSC’s) in door hyperoxie veroorzaakte longletsels en bij te vroeg geboren zuigelingen veilig en haalbaar is. Intratracheale en intraveneuze MSC-transplantatie is aangetoond te beschermen tegen neonatale hyperoxische longletsel. Daarom is intratracheale toediening van stamcellen en gecombineerde oppervlakteactieve en glucocorticoïde behandeling naar voren gekomen als een nieuwe strategie voor de behandeling van pasgeborenen met ademhalingsstoornissen. Het ontwikkelingsstadium van rattenlongen bij de geboorte is gelijk aan die in menselijke longen bij 26−28 week van de zwangerschap. Vandaar, pasgeboren ratten zijn geschikt voor het bestuderen van intratracheale toediening aan premature baby’s met ademhalingsproblemen om de werkzaamheid ervan te evalueren. Deze intratracheale instillatietechniek is een klinisch haalbare optie voor de levering van stamcellen en geneesmiddelen in de longen.
Introduction
Aanvullende zuurstof is vaak nodig om pasgeboren baby’s te behandelen met ademhalingsproblemen1. Hyperoxietherapie bij zuigelingen heeft echter negatieve langetermijneffecten. Langdurige blootstelling aan hoge concentraties zuurstof leidt tot ontsteking en acute longletsel, die vergelijkbaar is met menselijke bronchopulmonale dysplasie (BPD)2. BPD is een belangrijke complicatie van hyperoxiebehandeling die kan optreden ondanks vroege oppervlakteactieve therapie, optimale ventilatieprocedures en toenemend gebruik van niet-invasieve positieve drukventilatie bij premature baby’s. Hoewel veel behandelingsstrategieën zijn gemeld voor BPD3,kan geen bekende therapie deze complicatie verminderen.
Corticosteroïdengebruik is een mogelijke behandeling om BPD te voorkomen, omdat longontsteking een cruciale rol speelt in de pathogenese. Systemische corticosteroïdentherapie wordt echter meestal niet aanbevolen voor te vroeg geboren baby’s vanwege bijwerkingen op lange termijn4,5.
Mesenchymale stromale cellen (MSCs) hebben pluripotente kenmerken en kunnen zich onderscheiden in verschillende celtypen, waaronder bot, kraakbeen, vetweefsel, spieren en pezen6. MSC’s hebben immunomodulerende, ontstekingsremmende en regeneratieve effecten7, en dierstudies tonen de therapeutische voordelen van MSC’s en hun uitgescheiden componenten in hyperoxie-geïnduceerde longletsel bij knaagdieren8,9. Intratracheale en intraveneuze MSC-transplantatie is aangetoond te beschermen tegen neonatale hyperoxische longletsel. Daarom kan intratracheale toediening van stamcellen en gecombineerde oppervlakteactieve en corticosteroïde therapie een potentiële behandelingsstrategie zijn voor de behandeling van pasgeborenen met ademhalingsstoornissen. Preklinische studies hebben gebruik gemaakt van intratracheale toediening van stamcellen en adeno-geassocieerd virus bij pasgeboren ratten10,11,12. Een stapsgewijze presentatie van de techniek en in vivo tracking van de getransplanteerde stamcellen is echter niet beschikbaar. De pasgeboren rat is geschikt voor het bestuderen van de effecten van intratracheale toediening op te vroeg geborene zuigelingen met ademhalingsproblemen, omdat het sacculaire stadium van de rattenlong bij de geboorte gelijk is aan die van de menselijke long bij 26−28 week van de zwangerschap13. Een effectieve methode voor toediening in de rattenpijp is cruciaal voor een succesvolle longdistributie. De hier gepresenteerde techniek maakt het mogelijk om intratracheale toediening van cellen en/of geneesmiddelen te bestuderen voor de behandeling van neonatale longziekten met ratten als model voor de mens.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pasgeboren baby’s met ademhalingsproblemen hebben vaak intratracheale oppervlakteactieve stoffen en/of corticosteroïdenbehandeling19nodig. Klinische studies van de menselijke fase I hebben de veiligheid van intratracheale MSC’s bij te vroeg geboren baby’saangetoond 8. Deze studies suggereren dat intratracheale toediening van geneesmiddelen is een belangrijke optie voor pasgeboren baby’s met ademhalingsproblemen. Diermodel studies zijn zeer nuttig al…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd mede ondersteund door een subsidie van Meridigen Biotech Co., Ltd. Taipei, Taiwan (A-109-008).
Materials
| 6-0 silk | Ethicon | 1916G | |
| Alcohol Prep Pad | CSD | 3032 | |
| BD Stemflow hMSC Analysis Kit | BD Biosciences | 562245 | CD markers |
| CMV-Luciferase-EF1α-copGFP BLIV 2.0 Lentivector for In Vivo Imaging | SBI | BLIV511PA-1 | |
| CryoStor10 | BioLife Solutions | 640222 | |
| Human MSCs | Meridigen Biotech Co., Ltd. Taipei, Taiwan | ||
| Infrared light | JING SHANG | JS300T | |
| Isoflurane | Halocarbon | 26675-46-7 | |
| IVIS-200 small animal imaging system | Caliper LifeSciences, Hopkinton, MA | ||
| Luciferin potassium salt | Promega, Madison, WI | ||
| Micro-scissors, straight | Vannas | H4240 | |
| Normal saline | TAIWAN BIOTECH CO., LTD. | 113531 | Isotonic Sodium Chloride Solution |
| Small Hub RN Needle, 30 gauge | Hamilton Company, Reno, NV | 7799-06 | |
| Syringe (100 µl) | Hamilton Company, Reno, NV | 81065 | |
| Xenogen Living Image 2.5 software | Caliper LifeSciences, Hopkinton, MA | N/A |
References
- Ramanathan, R., Bhatia, J. J., Sekar, K., Ernst, F. R. Mortality in preterm infants with respiratory distress syndrome treated with poractant alfa, calfactant or beractant: a retrospective study. Journal of Perinatology. 33, 119-125 (2013).
- Gien, J., Kinsella, J. P. Pathogenesis and treatment of bronchopulmonary dysplasia. Current Opinion in Pediatrics. 23, 305-313 (2011).
- Pasha, A. B., Chen, X. Q., Zhou, G. P. Bronchopulmonary dysplasia: Pathogenesis and treatment. Experimental and Therapeutic. 16, 4315-4321 (2018).
- Committee on Fetus and Newborn. Postnatal corticosteroids to treat or prevent chronic lung disease in preterm infants. Pediatrics. 109, 330-338 (2002).
- Watterberg, K. L. American Academy of Pediatrics; Committee on Fetus and Newborn. Policy statement-postnatal corticosteroids to prevent or treat bronchopulmonary dysplasia. Pediatrics. 126, 800-808 (2010).
- Prockop, D. J. Marrow stromal cells as stem cells for nonhematopoietic tissues. Science. 276, 71-74 (1997).
- Nemeth, K., et al. Bone marrow stromal cells attenuate sepsis via prostaglandin E(2)- dependent reprogramming of host macrophages to increase their interleukin-10 production. Nature Medicine. 15 (2), 42-49 (2009).
- Chou, H. C., Li, Y. T., Chen, C. M. Human mesenchymal stem cells attenuate experimental bronchopulmonary dysplasia induced by perinatal inflammation and hyperoxia. American Journal of Translational Research. 8, 342-353 (2016).
- Chen, C. M., Chou, H. C., Lin, W., Tseng, C. Surfactant effects on the viability and function of human mesenchymal stem cells: in vitro and in vivo assessment. Stem Cell Research & Therapy. 8, 180 (2017).
- Kim, Y. E., et al. Intratracheal transplantation of mesenchymal stem cells simultaneously attenuates both lung and brain injuries in hyperoxic newborn rats. Pediatric Research. 80, 415-424 (2016).
- Fleurence, E., et al. Comparative efficacy of intratracheal adeno-associated virus administration to newborn rats. Human Gene Therapy. 16, 1298-1306 (2005).
- Waszak, P., et al. Effect of intratracheal adenoviral vector administration on lung development in newborn rats. Human Gene Therapy. 13, 1873-1885 (2002).
- O’Reilly, M., Thébaud, B. Animal models of bronchopulmonary dysplasia. The term rat models. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology. 307, 948 (2014).
- Yu, J., et al. GFP labeling and hepatic differentiation potential of human placenta-derived mesenchymal stem cells. Cellular Physiology and Biochemistry. 35, 2299-2308 (2015).
- Dominici, M., et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 8, 315-317 (2006).
- Zhang, Z. Y., et al. Superior osteogenic capacity for bone tissue engineering of fetal compared with perinatal and adult mesenchymal stem cells. Stem Cells. 27, 126-137 (2009).
- Huang, L. T., et al. Effect of surfactant and budesonide on pulmonary distribution of fluorescent dye in mice. Pediatric and Neonatology. 56, 19-24 (2015).
- Keyaerts, M., Caveliers, V., Lahoutte, T. Bioluminescence imaging: looking beyond the light. Trends in Molecular Medicine. 18, 164-172 (2012).
- Yeh, T. F., et al. Intra-tracheal administration of budesonide/surfactant to prevent bronchopulmonary dysplasia. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 193, 86-95 (2016).
- Nguyen, J. Q., et al. Intratracheal inoculation of Fischer 344 rats with Francisella tularensis. Journal of Visualized Experiments. (127), e56123 (2017).
- de Almeida, P. E., van Rappard, J. R., Wu, J. C. In vivo bioluminescence for tracking cell fate and function. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 301, 663-671 (2011).
- Kim, J. E., Kalimuthu, S., Ahn, B. C. In vivo cell tracking with bioluminescence imaging. Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 49, 3-10 (2011).
