Intra-arteriel levering af neurale stamceller til rotte og mus hjernen: Ansøgning om cerebral iskæmi
Summary
En metode til levering af neurale stamceller, der kan tilpasses til injektion af opløsninger eller suspensioner, gennem den fælles kartepander arterie (mus) eller ekstern carotis arterie (rotte) efter iskæmisk slagtilfælde er rapporteret. Indsprøjtede celler er fordelt bredt i hele hjernen parenkym og kan påvises op til 30 d efter fødslen.
Abstract
Neurale stamceller (NSC) terapi er en ny innovativ behandling for slagtilfælde, traumatisk hjerneskade og neurodegenerative lidelser. Sammenlignet med intrakraniel levering er intraarterial administration af ikke-nationale rådgivende råd mindre invasiv og producerer en mere diffus fordeling af ikke-centralstoffer i hjernen parenkym. Yderligere, intra-arteriel levering tillader first-pass effekt i hjernens cirkulation, mindske risikoen for fældefangst af celler i perifere organer, såsom lever og milt, en komplikation forbundet med perifere injektioner. Her beskriver vi metoden, både i mus og rotter, til levering af nsc’er gennem den fælles kartepøly (mus) eller ekstern carotis arterie (rotte) til den ipsilaterale halvkugle efter et iskæmisk slagtilfælde. Ved hjælp af GFP-mærkede NSC’er illustrerer vi den udbredte fordeling, der opnås på hele gnavere ipsilateral halvkugle på 1 d, 1 uge og 4 uger efter postischemic levering, med en højere tæthed i eller i nærheden af iskæmisk skade site. Ud over langsigtet overlevelse, viser vi tegn på differentiering af GFP-mærkede celler på 4 uger. Den intraarterielle leveringsmetode, der er beskrevet her for ikke-nationale rådgivende råd, kan også anvendes til administration af terapeutiske forbindelser og har således bred anvendelighed til forskellige CNS-skades- og sygdomsmodeller på tværs af flere arter.
Introduction
Stængcelleterapi (SC) rummer et enormt potentiale som behandling for neurologiske sygdomme, herunder slagtilfælde, hovedtraume og demens1,,2,,3,,4,5,6. En effektiv metode til at levere eksogene SC’er til den syge hjerne er dog fortsat problematisk2,6,7,8,9,10,11,12,13. SC’er, der leveres via perifere leveringsruter, herunder intravenøs (IV) eller intraperitoneal (IP) injektion, er underlagt first-pass filtrering i mikrocirkulationen, især i lunge- og leveren, milten og muskel8,,9,13,14, stigende chancer for ophobning af celler i ikke-målområder. Den invasive intracerebral injektionsmetode resulterer i lokaliseret hjerneskade i hjernen og en meget begrænset fordeling af SC’er nær injektionsstedet2,,6,,8,,14,15,16. Vi har for nylig etableret en kateter-baseret intra-arteriel injektion metode til at levere udefrakommende neurale SCs (NSCs), som er beskrevet her anvendes i en gnaver model af fokal iskæmisk slagtilfælde. Vi inducere forbigående (1 h) iskæmi-reperfusion skade på den ene halvkugle ved hjælp af en silikone gummi belagt glødetråd til at okkludere venstre midterste cerebral arterie (MCA) i musen eller rotte17,18,19. I denne model har vi reproducerbart observeret ca 75-85% depression af cerebral blodgennemstrømning (CBF) i ipsilateral halvkugle med Laser Doppler eller Laser speckle imaging17,19, giver konsekvent neurologiske underskud17,18,19.
Af tidsbesparende formål er videoen indstillet til at spille med dobbelt så høj normal hastighed og rutinemæssige kirurgiske procedurer såsom hudforberedelse og sårlukning med sutur, og brugen og opsætningen af den motoriserede sprøjtepumpe præsenteres ikke. Metoden til intra-arteriel levering af NSCs er påvist i forbindelse med den midterste cerebrale arterie okklusion (MCAO) model af eksperimentelle slagtilfælde hos gnavere. Derfor inkluderer vi den forbigående iskæmisk slagtilfælde procedure for senere at vise, hvordan den anden operation, den intra-arteriel injektion, udføres ved hjælp af den tidligere kirurgiske sted på samme dyr. Gennemførligheden af intraarterial NSC-levering i gnavere træfningsmodeller påvises ved at vurdere distributionen og overlevelsen af eksogene NSC’er. Effekten af NSC-behandling til at dæmpe hjernens patologi og neurologisk dysfunktion vil blive rapporteret separat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stamcelleterapi for neurologiske sygdomme er stadig på et tidligt sonderende stadium. Et vigtigt problem er, at der ikke er nogen etableret metode til tilstrækkelig levering af SCS eller NSCs i hjernen.
Selvom der kan påvises eksogene SC’er/NSC’er i hjernen efter intravenøs (IV), intraperitoneal (IP) eller intraparenkymal/intracerebral injektion, har hver leveringsmetode ulemper. Den påviselige population i hjernen skønnes at være meget lav med perifer injektion (IV eller IP), der kun r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af følgende: AHA Award 14SDG20480186 for LC, Emne innovation team af Shanxi University of Chinese Medicine 2019-QN07 for BZ, og Kentucky Spinal Cord and Head Injury Research Trust grant 14-12A for KES og 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 |
References
- 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).
