Mesenchymal stem cell characterization and effects on motor and non-motor symptoms in a Parkinson’s disease rat model

Abstract

Introduction: Adult mesenchymal stem cells (MSC) can be easily derived from many tissues, are immune privileged, and secrete factors important in modulating inflammation and neurogenesis. Consequently, they are ideal candidates for stimulating repair mechanisms in neurodegenerative and inflammatory disorders, such as Parkinson’s disease (PD). This thesis characterises the development of MSC and their short- and long-term effects on motor and non-motor symptoms in a PD rat model. Another aim was to explore reliable long-term labelling of MSC to enable in vivo tracking. In addition, we compared the transplantation properties of three-dimensional MSC spheres (sMSC) with adherent MSC. These two culturing techniques differ in their proliferation and differentiation potentials, which might in turn determine the suitability of the transplant. Methods: In our first study, MSC/sMSC were transplanted as naive MSC, while the two later studies used MSC/sMSC transfected with green fluorescent protein. One week after lesioning with 6-hydroxydopamine, MSC/sMSC were transplanted into the substantia nigra. The animals were sacrificed three days (Study 2), three weeks (Study 1), and six months (Study 3) after transplantation. Motor behaviour was assessed with rotational behaviour and memory was tested with the 8-arm radial maze test (Studies 1 and 2). The first study focussed on hippocampal and the two follow- up studies primarily on subventricular neurogenesis. Glial fibrillary acidic protein (GFAP) and ionised calcium-binding adapter molecule 1-positive cells characterised the initial immunological response (Study 1), which was followed up by analyses of peripheral inflammatory factors (Study 3). Results: In both the short- and long-term, MSC/sMSC expressing endothelial markers were found in the arachnoid mater and around the lumen of blood vessels. At three days, no difference was seen between the transplant types: MSC and sMSC both improved subventricular neurogenesis, without affecting dopaminergic recovery. Three weeks after transplantation, MSC had improved motor behaviour, and induced striatal up-regulation of GFAP and brain-derived neurotrophic factor, while sMSC had exerted undesirable effects on hippocampal neurogenesis and memory. At six months, MSC had increased dopamine levels and neurogenesis, improved memory, and induced up-regulation of anti-inflammatory cytokines. Conclusion: MSC are superior to sMSC; making them more suitable candidates for transplantation. Hyposmia and memory decline in PD patients are the two main non-motor symptoms related to aberrant neurogenesis. Thus, cell transplants that can increase neurogenesis in the hippocampus and subventricular zone could represent a disease-modifying therapy, while also protecting against dopaminergic degeneration and modulating the systemic immune response.

Einleitung: Adulte mesenchymale Stammzellen (MSC) können leicht aus vielen Gewebearten gewonnen werden, sind immunprivilegiert und sezernieren bedeutende Faktoren für die Entzündungsregulation sowie Regeneration. Dementsprechend können MSC in der Therapie neurodegenerativer Krankheiten, wie dem idiopathischen Parkinson Syndrom (IPS), optimal genutzt werden. Die vorliegende These untersuchte die MSC Entwicklung und deren Kurz- und Langzeiteffekte auf motorischer und nicht-motorischer Ebene im 6-Hydroxydopamin Rattenmodell der Parkinsonschen Erkrankung. Ferner sollte eine effiziente Art der Langzeit-MSC-Markierung untersucht werden, um eine zuverlässige in vivo Charakterisierung zu gewährleisten. Da MSC sowohl als dreidimensionale Sphären kultiviert werden, als auch als adhärente Zellen – was zu unterschieden in der Differenzierung und Proliferation führt – wurden adhärente und sphärische MSC (sMSC) in zwei der Studien gegenübergestellt. Methoden: Eine Woche nach der Läsion mit 6-Hydroxydopamin wurden die MSC/sMSC in die Substantia nigra transplantiert und die Ratten nach drei Tagen (Studie 2), drei Wochen (Studie 1), oder sechs Monaten (Studie 3) post mortem untersucht. Sowohl hippokampale, als auch subventrikuläre Neurogenese wurden ausgewertet. Motorische Symptome wurden mittels Amphetamin-induziertem Rotationsverhalten gemessen und Gedächtnisstörungen wurden mit dem 8-Arm Radial Maze Test überprüft (Studie 1 und 2). Die Entzündungsreaktion wurde initial durch die Anzahl saurer Gliafaserprotein- und Iba1-positiver Zellen gemessen (Studie 1) und später durch multiplexe Analysen systemischer inflammatorischer Faktoren erweitert (Studie 3). Ergebnisse: MSC/sMSC konnten kurz- und langfristig mit entothelialen Markern charakterisiert werden und wurden in der Nähe von Blutgefäßen und in der Arachnoidea mater encephali gefunden. Nach drei Tagen gab es keine Unterschiede zwischen den zwei Zelltransplantaten: beide stimulierten die subventrikuläre Neurogenese, ohne Effekte auf die dopaminergen Neurone. Nach drei Wochen bewirkten die MSC sowohl eine striatale Hochregulierung vom sauren Gliafaserprotein und vom neurotrophen Faktor Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) als auch eine Verbesserung in der Motorik. sMSC hingegen beeinträchtigten die hippokampale Neurogenese und die Lern- und Gedächtnisfunktion. Nach sechs Monaten erhöhten die ¬¬MSC den nigralen Dopamin-Spiegel und die subventrikuläre und hippokampale Neurogenese, verbesserten das Gedächtnis und steigerten systemische anti-inflammatorische Zytokine. Schlussfolgerung: MSC zeigten vorteilhaftere Effekte gegenüber sMSC und wirkten bis zu sechs Monaten neurotroph. Hyposmie und kognitive Defizite sind die Kardinalsymptome des nicht-motorischen Spektrums in IPS und stehen in Zusammenhang mit gestörter Neurogenese. Somit könnten Zelltransplantate mit modulierenden Effekten auf den Hippokampus und die subventrikuläre Zone eine krankheitsmodifizierende therapeutische Strategie darstellen und gleichzeitig vor dopaminerger Degeneration schützen.