Use of bladder telemetry to evaluate efficacy of muscle stem cells in a rat model of urethral sphincter injury, a preclinical efficacy study

Abstract

Background: Preclinical efficacy studies of cell therapies using representative animal models in an experimental design that closely resembles clinical application are lacking. This study used bladder telemetry to assess efficacy of human muscle stem cells (MuSCs) in a urethral sphincter injury animal model. It was carried out as part of the preclinical regulatory requirement for an upcoming first-in-human trial using MuSCs in children with epispadias. Methods: Human MuSCs were isolated from a 14-year old male donor who had no neuromuscular disorders. A urethral sphincter injury model using electrocauterization was selected after evaluation of several models using literature review. We implanted telemetry sensors surgically in the bladder of athymic male nude rats. Animals were placed in a standard 12-hour light/dark cycle. After five days, we injected 2 x105 MuSCs/animal (verum group, n=5) or placebo (cryopreservation medium; control group, n=5). Recording of telemetry variables was done at two time points: pre-injury and post- injection. Six parameters were recorded: Rise, Base pressure (BaseP), Peak pressure (PeakP), Period, Intercontraction interval (ICI) and Peak Duration (PeakD). Results: Diurnal variation in urodynamics were observed where PeakP, BaseP were higher and ICI and Period shorter during the dark phase. Post-injection, Rise, BaseP and PeakP returned to pre-injury levels in the verum group but remained significantly lower in the control group. (DRise; verum = 0.1±0.24, control = -0.69±0.53, p = 0.043; DBaseP; verum = 0.2±0.7, control = -1.7±0.5, p = 0.020; DPeakP; verum = 0.0±0.7, Control = - 2.4±0.7, p = 0.007). Histologic examination revealed injury related changes only in the control group, while the verum group had normal tissue architecture. Conclusion: MuSCs injection leads to restoration of injured urethral sphincter. Carefully planned preclinical efficacy studies that adhere to regulatory requirements are critical in bridging the translational gap of cell therapies into the clinic.

Hintergrund: Präklinische Studien zur Wirksamkeit von Zelltherapien an repräsentativen Tiermodellen in einem Versuchsaufbau, der der klinischen Anwendung sehr nahekommt, sind kaum zu finden. In dieser Studie wurde die präklinische Wirksamkeit von Muskelstammzellen (MuSCs) in einem Tiermodell mit Verletzung des Blasenschließmuskels unter Verwendung von Blasentelemetrie untersucht. Sie wurde als Teil der behördlichen Anforderungen für eine bevorstehende first-in-human klinische Studie von MuSCs bei Kindern mit Epispadie am Menschen durchgeführt. Methoden: Humane MuSCs wurden von einem 14-jährigen männlichen Spender ohne neuromuskuläre Erkrankung isoliert. Nach Auswertung mehrerer Modelle anhand einer Literaturstudie entschieden wir uns für ein Modell zur Verletzung des Harnröhrenschließmuskels durch Elektrokauterisation. Wir implantierten Telemetrie- Sensoren chirurgisch an die Blase von männlichen, athymischen Ratten. Die Tiere waren in einem standardmäßigen 12-Stunden-Hell-Dunkel-Zyklus untergebracht. Nach fünf Tagen injizierten wir 2 x105 MuSCs/Tier (Verumgruppe, n=5) oder Placebo (Kryokonservierungsmedium; Kontrollgruppe, n=5). Die Aufzeichnung der Telemetrie- Variablen erfolgte zu zwei Zeitpunkten: vor der Verletzung und nach der Injektion. Sechs Parameter, nämlich Peak pressure (PeakP), base pressure (BaseP), Rise, Period, Intercontraction interval (ICI) and Peak Duration (PeakD) wurden aufgezeichnet. Ergebnisse: Es wurden diurnale Schwankungen in der Urodynamik beobachtet, wobei PeakP, BaseP höher und ICI und Period kürzer während der Dunkelphase waren. Nach der Injektion erreichten PeakP, BaseP und Rise in der Verumgruppe wieder die Werte vor der Verletzung, blieben aber in der Kontrollgruppe signifikant niedriger. (DRise; Verum = 0.1±0.24, Kontrolle = -0.69±0.53, p = 0.043; DBaseP; Verum = 0.2±0.7, Kontrolle = - 1.7±0.5, p = 0.020; DPeakP; Verum = 0.0±0.7, Kontrolle = -2.4±0.7, p = 0.007). Die histologische Untersuchung zeigte verletzungsbedingte Veränderungen nur in der Kontrollgruppe, während die Verumgruppe eine normale Gewebearchitektur aufwies. Abschluss: Die Injektion von MuSCs führt zur Wiederherstellung des verletzten Harnröhrenschließmuskels. Sorgfältig geplante präklinische Wirksamkeitsstudien, die den regulatorischen Anforderungen entsprechen, sind entscheidend für die Überwindung der Translationslücke von Zelltherapien in die Klinik.