Intratracheale Instillation von Stammzellen bei Term Neonatal Ratten
Summary
Described ist ein Protokoll zur Durchführung einer intratrachealen Transplantation von mesenchymalen Stromalzellen (MSCs) durch intratracheale Injektion bei neonatalen Ratten. Diese Technik ist eine klinisch praktikable Option für die Abgabe von Stammzellen und Medikamenten in die Lungen der neonatalen Ratte, um ihre Wirksamkeit zu bewerten.
Abstract
Eine längere Exposition gegenüber hohen Sauerstoffkonzentrationen führt zu Entzündungen und akuten Lungenverletzungen, die der menschlichen Bronchopulmonaldysplasie (BPD) ähneln. Bei Frühgeborenen ist BPD eine hauptverkomplikation trotz des frühen Einsatzes von Tensidtherapie, optimalen Beatmungsstrategien und nichtinvasiver Positivdruckbelüftung. Da Lungenentzündung spielt eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese von BPD, Kortikosteroid Verwendung ist eine mögliche Behandlung, um es zu verhindern. Dennoch, systemische Kortikosteroid Behandlung wird in der Regel nicht für Frühgeborene aufgrund langfristiger Nebenwirkungen empfohlen. Präklinische Studien und klinische Studien der Phase I zeigten, dass die Anwendung von mesenchymalen stromalen Zellen (MSCs) bei hyperoxiainduzierten Lungenverletzungen und bei Frühgeborenen sicher und machbar ist. Intratracheale und intravenöse MSC-Transplantation schützt nachweislich vor neonatalen hyperoxischen Lungenverletzungen. Daher hat sich die intratracheale Verabreichung von Stammzellen und kombinierte Tensid- und Glukokortikoidbehandlung als eine neue Strategie zur Behandlung von Neugeborenen mit Atemwegserkrankungen herauskristallisiert. Das Entwicklungsstadium der Rattenlunge bei der Geburt entspricht dem in der menschlichen Lunge bei der 26-28-Wöchigen Schwangerschaft. Daher sind neugeborene Ratten geeignet, um die intratracheale Verabreichung an Frühgeborene mit Atemnot zu untersuchen, um ihre Wirksamkeit zu bewerten. Diese intratracheale Instillationstechnik ist eine klinisch praktikable Option für die Abgabe von Stammzellen und Medikamenten in die Lunge.
Introduction
Zusätzliche Sauerstoff ist oft erforderlich, um Neugeborene mit Atemnot zu behandeln1. Jedoch, Hyperoxia-Therapie bei Säuglingen hat negative langzeitige Auswirkungen. Längere Exposition gegenüber hohen Sauerstoffkonzentrationen führt zu Entzündungen und akuten Lungenverletzungen, die der menschlichen Bronchopulmonaldysplasie (BPD)2ähneln. BPD ist eine hauptverkompliktige Hyperoxia-Behandlung, die trotz früher Tensidtherapie, optimaler Beatmungsverfahren und vermehrter Anwendung nichtinvasiver Positivdruckbeatmung bei Frühgeborenen auftreten kann. Während viele Behandlungsstrategien für BPD3berichtet wurden, kann keine bekannte Therapie diese Komplikation reduzieren.
Kortikosteroid-Einsatz ist eine mögliche Behandlung, um BPD zu verhindern, weil Lungenentzündung spielt eine entscheidende Rolle bei seiner Pathogenese. Jedoch, systemische Kortikosteroid-Therapie wird in der Regel nicht für Frühgeborene aufgrund von langfristigen Nebenwirkungen empfohlen4,5.
Mesenchymale Stromalzellen (MSCs) haben pluripotente Eigenschaften und können sich in verschiedene Zelltypen differenzieren, einschließlich Knochen, Knorpel, Fettgewebe, Muskel und Sehnen6. MSCs haben immunmodulatorische, entzündungshemmende und regenerative Effekte7, und Tierstudien zeigen die therapeutischen Vorteile von MSCs und ihren sezernierten Komponenten bei Hyperoxia-induzierten Lungenverletzungen bei Nagetieren8,9. Intratracheale und intravenöse MSC-Transplantation schützt nachweislich vor neonatalen hyperoxischen Lungenverletzungen. Daher könnte die intratracheale Verabreichung von Stammzellen und eine kombinierte Tensid- und Kortikosteroidtherapie eine potenzielle Behandlungsstrategie zur Behandlung von Neugeborenen mit Atemwegserkrankungen sein. Präklinische Studien haben die intratracheale Verabreichung von Stammzellen und Adeno-assoziierten Viren bei neugeborenen Ratten10,11,12verwendet. Eine schrittweise Darstellung der Technik und in vivo-Tracking der transplantierten Stammzellen ist jedoch nicht verfügbar. Die neugeborene Ratte eignet sich für die Untersuchung der Auswirkungen der intratrachealen Verabreichung auf Frühgeborene mit Atemnot, da das sakkare Stadium der Rattenlunge bei der Geburt dem der menschlichen Lunge bei 26-28 Wochen Trächtigkeitentspricht. Eine wirksame Methode zur Verabreichung in die Rattentracheistin ist entscheidend für eine erfolgreiche Lungenverteilung. Die hier vorgestellte Technik ermöglicht die Untersuchung der intratrachealen Verabreichung von Zellen und/oder Medikamenten zur Behandlung von neonatalen Lungenerkrankungen unter Verwendung von Ratten als Modell für den Menschen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neugeborene mit Atemnot benötigen häufig intratracheales Tensid und/oder Kortikosteroidbehandlung19. Klinische Studien der Phase I der menschlichen Phase i haben die8Sicherheit von intratrachealen MSCs bei Frühgeborenen 8 gezeigt. Diese Studien deuten darauf hin, dass die intratracheale Verabreichung von Medikamenten eine wichtige Option für Neugeborene mit Atemnot ist. Tiermodellstudien sind am hilfreichsten, wenn die Modellfunktionen direkt fü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde teilweise durch ein Stipendium der Meridigen Biotech Co., Ltd. Taipei, Taiwan (A-109-008) unterstützt.
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).
