| License: Publishing license for publications excluding print on demand (27MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-196519
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.19661
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 4 March 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Inga D. Neumann and Prof. Dr. Norbert Weidner and Prof. Dr. Ernst Tamm |
| Date of exam: | 14 February 2011 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann) |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | spinal cord injury, NPC, MSC, Oligodendrocytes, MRI |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 19661 |
Abstract (English)
The irreversible loss of spinal cord parenchyma including astroglia, oligodendroglia and neurons is one of the key factors responsible for the severe functional impairment in individuals suffering from spinal cord injury Therefore, adequate cell replacement strategies might be one means to promote structural and functional recovery. Neural stem/ progenitor cells (NPC), which have been identified ...
Abstract (English)
The irreversible loss of spinal cord parenchyma including astroglia, oligodendroglia and neurons is one of the key factors responsible for the severe functional impairment in individuals suffering from spinal cord injury Therefore, adequate cell replacement strategies might be one means to promote structural and functional recovery. Neural stem/ progenitor cells (NPC), which have been identified in the adult mammalian nervous system including the spinal cord, represent one promising source to replace astrocytes, oligodendrocytes and neurons within the injured spinal cord. Intrinsic NPC at and around the lesion site can be stimulated by the application of appropriate molecules to replace lost spinal cord tissue intrinsically. Alternatively, neural stem cells can be isolated from small brain/spinal cord biopsies, propagated in vitro and ultimately transplanted into the injured spinal cord.
Recently it has been published that mesenchymal stem cells (MSC) secrete a yet unidentified factor, which strongly promotes oligodendroglial differentiation of hippocampus derived adult neural progenitor cells in vitro under co-culture conditions, whereas the astrogenic commitment of NPC is inhibited.
Based on these findings, I investigated whether the region of isolation (origin) of NPC will influence the expression pattern of specific differentiation markers after incubation with MSC-conditioned media (MSC-CM). I could show that MSC-derived soluble factors induce the expression of oligodendrocyte markers in NPC in vitro regardless of the origin of the NPC. Furthermore, incubation of NPC with conditioned media derived from fibroblasts resulted in an even higher number of cells expressing the oligodendroglial marker MBP at the expense of cells expressing the astroglial marker GFAP.
In the next step, NPC or NPC pre-differentiated towards an oligodendroglial lineage were co-seeded with MSC onto hippocampal slice cultures. Under CNS-organotypic conditions MSC still promoted an oligodendroglial fate of seeded NPC. While the survival of the seeded NPC was good, the survival of oligodendroglial pre-differentiated NPC was very limited after seeding onto hippocampal slices.
To see if the pro-oligodendrogenic activity of MSC is maintained in vivo, NPC or pre-differentiated NPC were co-transplanted with MSC into the intact spinal cord of adult rats. Although the survival of pre-differentiated NPC was very low, a significantly increased oligodendroglial differentiation was observed when compared to NPC co-grafted with MSC.
In subsequent experiments, NPC were co-grafted with MSC or fibroblast into the injured spinal cord. Histological analysis demonstrated that fibroblast as well as MSC containing grafts filled the cystic lesion after SCI and provided a supporting scaffold to sustain adult NPC within the lesion cavity. Interestingly, fibroblasts but not MSC increased the oligodendroglial differentiation of co-grafted NPC in the injured spinal cord. In vitro data demonstrated that BMP2 and BMP4 (bone morphogenic protein 2 and 4), which are strongly up-regulated after spinal cord injury completely counteracted effects of MSC, on oligodendroglial differentiation of NPC.
Moreover, my studies revealed that the transplantation of MSC into the injured spinal cord does not alter the proliferation or survival of endogenous NPC. Rather MSC influence the differentiation of endogenous oligodendroglial progeny as early as three days after SCI and shift the differentiation pattern of NPC towards an oligodendroglial phenotype four weeks after SCI at the expense of astroglial differentiation.
In summary, these studies demonstrate that MSC provide a pro-oligodendrogenic microenvironment for NPC seeded onto hippocampal slices or transplanted into the intact spinal cord. In contrast, MSC do not influence the differentiation of co-transplanted NPC in the acutely injured spinal cord, but profoundly affect the differentiation of endogenous NPC.
For any cell-based therapy to be translated into the clinic appropriate monitoring tools need to be established to visualize morphological changes caused by cell transplantation into the injured spinal cord. Magnetic resonance imaging (MRI) represents the gold-standard to non-invasively visualize the spinal cord parenchyma. As a first step to validate cell-therapy induced morphological changes, I performed analysis using a routine clinical 3T MRI-scanner. The referring study demonstrated that a routine clinical 3T MRI-scanner can be used for small animal imaging to noninvasively visualize pathological changes occurring after rat spinal cord injury. Changes in 3T MRI signals correlate with histological, structural and behavioral outcomes after SCI.
Translation of the abstract (German)
Der irreversible Verlust von Rückenmarksgewebe insbesondere Astroglia, Oligodendroglia und Neuronen ist eine der Hauptursachen für schwerwiegende funktionelle Beeinträchtigungen in Individuen, die eine Rückenmarksverletzung erleiden. Daher werden adäquate Zellersatz-Strategien benötigt, die eine umfangreiche strukturelle und funktionelle Regeneration fördern. Neurale Stamm-/Vorläuferzellen (NPC), ...
Translation of the abstract (German)
Der irreversible Verlust von Rückenmarksgewebe insbesondere Astroglia, Oligodendroglia und Neuronen ist eine der Hauptursachen für schwerwiegende funktionelle Beeinträchtigungen in Individuen, die eine Rückenmarksverletzung erleiden. Daher werden adäquate Zellersatz-Strategien benötigt, die eine umfangreiche strukturelle und funktionelle Regeneration fördern. Neurale Stamm-/Vorläuferzellen (NPC), welche im adulten Nervensystem von Säugetieren einschließlich des Rückenmarks identifiziert wurden, stellen eine vielversprechende Quelle dar, um Astrozyten, Oligodendrozyten sowie Neurone innerhalb des verletzten Rückenmarks zu ersetzen.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie konnte gezeigt werden, dass mesenchymale Stammzellen (MSC) einen bisher noch nicht identifizierten Faktor sezernieren, welcher die oligodendrogliale Differenzierung von adulten hippocampalen NPC unter Ko-Kultur Bedingungen in vitro fördert und gleichzeitig die astrogliale Differenzierung der NPC inhibiert.
Basierend auf diesen Ergebnissen habe ich den Einfluss des Herkunftsortes der NPC in Bezug auf das Expressionsmuster spezifischer Differenzierungsmarker nach Inkubation mit konditioniertem Medium der MSC charakterisiert. Ich konnte zeigen, dass lösliche Faktoren der MSC die Expression von oligodendrozytären Markern in NPC unter in-vitro-Bedingungen induzieren, unabhängig von deren anatomischer Herkunft. Darüber hinaus führte die Inkubation von NPC mit konditioniertem Medium von Fibroblasten sogar zu einer noch höheren oligodendroglialen Differenzierung und zu einer signifikant niedrigeren astroglialen Differenzerung.
Im nächsten Schritt wurden NPC oder oligodendroglial vordifferenzierte NPC zusammen mit MSC auf hippocampale Schnittkulturen ausgesät. Hierbei zeigte sich, dass MSC auch in einer ZNS-organotypischen Umgebung die oligodendrogliale Differenzierung der transplantierten NPC fördern. Während das Überleben der ausgesäten NPC auf hippocampalen Schnitten gut war, war das Überleben der oligodendroglial-vordifferenzierten NPC sehr limitiert.
Anschließend habe ich NPC oder oligodendroglial vordifferenzierte NPC zusammen mit MSC in das intakte Rückenmark adulter Ratten transplantiert, um zu testen, ob die pro-oligodendrogene Aktivität der MSC auch in vivo aufrecht erhalten bleibt. Obwohl das Überleben der vordifferenzierten NPC sehr niedrig war, konnte eine signifikante Erhöhung der oligodendroglialen Differenzierung dieser Zellen im Vergleich zu NPC, die mit MSC ko-transplantiert wurden, festgestellt werden.
In weiterführenden Experimenten konnte durch die Ko-Transplantation von NPC mit MSC bzw. Fibroblasten ins läsionierte Rückenmark gezeigt werden, dass sowohl MSC- als auch Fibroblasten-enthaltende Transplantate in der Lage waren, den zystischen Läsionsdefekt, zu ersetzen und ein unterstützendes zelluläres Gerüst zu bilden, um adulte NPC innerhalb der Läsion zu halten. Interessanterweise führte die Ko-Transplantation von NPC mit Fibroblasten zu einer erhöhten oligodendroglialen Differenzierung der ko-transplantierten NPC, wohingegen dieser Effekt bei einer MSC-NPC Ko-Transplantation nicht nachgewiesen werden konnte. In-vitro-Daten demonstrierten, dass BMP2 und BMP4, die nach einer Rückenmarksverletzung stark hoch regulierten werden, komplett dem MSC-bedingten Effekt auf die oligodenrogliale Differenzierung der NPC entgegenwirken.
Zusätzlich demonstriert diese Studie, dass die Transplantation von MSC ins läsionierte Rückenmark weder die Proliferation noch das Überleben von endogenen NPC beeinflusst. Allerdings führt die Transplantation von MSC schon innerhalb von drei Tagen nach einer Rückenmarksverletzung zu einer erhöhten Expression von oligodendroglialen Markern und nach einem Monat zu einer Verlagerung des Differenzierungsmusters der endogenen NPC in Richtung Oligodendroglia auf Kosten der astroglialen Differenzierung.
Zusammenfassend konnte in dieser Studie gezeigt werden, das MSC eine pro-oligodendrogene Umgebung für NPC bereitstellen, welche auf hippocampale Schnitte bzw. ins intakte Rückenmark transplantiert wurden. Im Gegensatz dazu konnten diese Beobachtungen nach einer Rückenmarksläsion nicht mit ko-transplantierten NPC, sondern lediglich mit endogenen NPC rekapituliert werden.
Für jede zell-basierte Therapie, die in die Klinik transferiert werden soll, müssen geeignete bildgebende Verfahren etabliert werden, um morphologische Veränderungen darstellen zu können, die durch Zelltransplantationen ins verletze Rückenmark hervorgerufen werden. Zur Validierung durch Zelltherapie induzierter morphologischer Veränderungen habe ich Untersuchungen mittels eines klinischen Routine-3T-MRT-Scanners durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, einen klinischen Routine-3T-Kerspintomographen für die Bildgebung von Tieren zu nutzen, um nicht-invasiv pathologische Veränderungen, die nach einer Rückenmarksverletzung in der Ratte auftreten, zu visualisieren und diese mit histologischen, strukturellen und Verhaltensveränderungen zu korrelieren.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 07:30
Owner only: item control page
Download Statistics