神经可塑性

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神经可塑性/2019年/文章
特殊的问题

在神经退行性疾病的病理神经可塑性

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2019年 |文章的ID 6286197 | https://doi.org/10.1155/2019/6286197

Dwaine f . Emerich杰弗里·h·Kordower yap楚,克里斯•Thanos Briannan Bintz,乔凡娜Paolone,拉尔斯·沃尔伯格, 广泛的纹状体GDNF从封装细胞阻止了解剖和功能会引起的后果”,神经可塑性, 卷。2019年, 文章的ID6286197, 9 页面, 2019年 https://doi.org/10.1155/2019/6286197

广泛的纹状体GDNF从封装细胞阻止了解剖和功能会引起的后果

客座编辑:Jolanta Dorszewska
收到了 2018年11月09
接受 2019年2月11日
发表 2019年3月11日

文摘

方法。人类ARPE-19细胞工程分泌高水平的神经胶质细胞line-derived神经营养因子(GDNF)封装到中空纤维膜。设备被植入大鼠纹状体1周之前纹状体注射喹啉酸。动物在那里进行评估验证电机使用电池测试,和组织学表现来确定GDNF扩散的程度和相关预防神经细胞损失和行为的赤字。结果。封装细胞交货产生的GDNF GDNF的广泛分布在整个植入纹状体。Stereological纹状体神经元损伤的数量和体积大小的估计显示,GDNF交货导致接近完整的神经保护。结论。交付使用封装细胞神经营养分子如GDNF已达到临床评价技术点是有道理的。因为GDNF有效在帕金森病动物模型,中风、癫痫、亨廷顿氏舞蹈症,其他衰弱性神经变性疾病,封装细胞交付GDNF可能代表一个创新的手段,减缓神经变性出现在无数的目前无法治愈的神经系统疾病。

1。介绍

治疗神经退行性疾病是一个迫切的挑战。神经营养因子治疗有吸引力的候选人,因为他们可以提高神经功能,神经保护,有可能逆转导致神经赤字持续的神经退化。虽然在动物模型(神经营养因子一直有效1- - - - - -8),临床开发和评估是有限的。主要原因推迟开发有效的神经营养治疗已无法提供他们穿过血脑屏障(BBB)直接向目标网站稳定,控制,和持续的方式(9- - - - - -13]。正在发展的若干策略优化的扩散和传播营养因素进入脑组织。这些包括直接脑灌注(14,各种基因治疗方法7,8),细胞疗法(15),和生物材料药物传输系统15]。每种方法都有自己的优点和局限性,但尚未产生显著功效足以证明广泛的临床评价。

在这里,我们描述一个小说的方式交付非常高浓度的神经营养因子直接神经损伤的网站使用一个封装细胞疗法技术(16,17]。细胞在半透膜封闭,然后植入大脑。囊膜允许氧气和营养物质输入和滋养细胞封装,同时允许感兴趣的治疗分子离开舱和扩散到周围的脑组织。封装的细胞免疫反应降低,因为半透膜可以防止宿主免疫系统的元素进入细胞,从而防止排斥。事实上,即使是在异种移植的情况下,胶囊内的细胞仍然可行的不需要免疫抑制。此外,使用人类细胞作为运载工具进一步降低了免疫反应的机会。细胞系是生产使用transposon-based基因表达系统导致高蛋白质分泌1 - 2数量级高于用于前细胞封装研究[18- - - - - -20.]。这些细胞被封装在前面展示的设备包含一个优化的细胞支架,促进长期的细胞生存能力在这两种动物模型(21,22)和最近的人类临床试验在老年痴呆症患者23]。在这项研究中,我们测试的假设封装细胞神经营养分子神经胶质细胞的交付line-derived神经营养因子(GDNF)可能导致广泛,但目标,提供生物活性GDNF纹状体。GDNF-secreting设备植入前的啮齿动物纹状体喹啉酸(QA)病变。全面的组织学分析和神经系统测试表明,GDNF是分布在整个纹状体施加一个强有力的,基本完成,神经保护作用。连同前示威的长期控制,安全,和有针对性的GDNF在小型和大型动物模型中,这些数据提供持续支持继续这种方法的临床开发。

2。方法和材料

2.1。主题

成年男性Sprague-Dawley老鼠(哈伦实验室),∼3个月大,体重225 - 250克,被安置在4组在房间温度和湿度的殖民地保持12小时光/暗周期。食物和水随意在整个实验过程。所有的实验是在符合国家卫生研究院进行的指导方针。

2.2。细胞培养

ARPE-19细胞培养使用标准镀使程序在t - 175烧瓶生长培养基;DMEM + glutamax (1 x)补充10%胎牛血清(Gibco)。常规文化包括饲养细胞每隔2 - 3天在70 - 75%使它们融合。细胞培养在37°C,湿度90%,5%的股份有限公司2

2.3。细胞系建立

人类GDNF cDNA优化人类细胞系的表达是由表达载体,丹麦,随后克隆替代神经生长因子的表达载体pT2.CAn。hNGF [21),导致质粒pT2.CAn.hoG。ARPE-19细胞转染这个向量使用睡美人(某人)转座子系统如前所述21,22]。简单地说,细胞与质粒pT2.CAn cotransfected。猪和某人向量pcmv SB - 100 x。作为真核选择某人向量不包含标记磁带,这只是暂时性的表达。瞬态表达式窗口允许活跃,transposase-mediated某人转座子的集成,即。,the inverted repeat SB substrate sequences and the sequences contained within these repeats, including the GDNF expression and neomycin antibiotic resistance cassettes. Clones were selected using G418 (Sigma-Aldrich, Copenhagen, Denmark), and single colonies were expanded and isolated based on their GDNF release levels.

2.4。设备制造

细胞被封装到中空纤维膜由7毫米段polyethersulfone膜(阿克苏、德国)内部装有对细胞粘附的聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维纱脚手架。灌装前,培养细胞分离和悬浮在HE-SFM 8333细胞/密度μl。6μl细胞的解决方案( 细胞总)注入每个设备使用custom-manufactured自动cell-loading系统。设备保持在37°C和5% HE-SFM有限公司2(低剂量组)3周或12周之前(高剂量组)手术植入。

先前的研究[24)使用扫描电子显微镜(SEM)来检查这些膜的形态。SEM polyethersulfone膜的横截面证实细胞膜具有典型isoreticulated形态相对密集,薄外的皮肤和一个开放的、多厚的大孔子结构。膜的横截面显示481的内径μ663米,外径μm,相应的壁厚约90μm。

2.5。手术

老鼠与异氟烷麻醉(3 - 4%),放入立体定位仪(Stoelting Inc .)。中线切口是在头皮上,钻一个洞的单边布置设备(7毫米长度)到纹状体用不锈钢套管安装在立体定位框架。植入对前囱的坐标如下:记者:0.0 ML: 3.2,和DV: -7.5。设备的位置后,套管被撤回和皮肤缝合关闭。

一个星期设备植入后,老鼠和异氟烷麻醉注射定位在一个立体定位框架的QA (225 nmol)。28-gauge汉密尔顿注射器连接到立体定位框架,降低到以前在下列坐标对纹状体植入前囱:记者:1.0 ML: 2.6,和DV: -5.0。QA中注入体积的1μl /网站/ 5分钟。针被在一个额外的两分钟允许QA扩散从注射部位然后删除和皮肤缝合关闭。小白鼠的被分配到3实验组:QA病变( ),QA + GDNF低剂量( ),和QA + GDNF高剂量( )。

2.6。神经系统评估

使用验证电池的测试(25),老鼠评估提供一个行为测量病变的程度以及GDNF植入提供的收益的大小。所有的测试进行24小时设备植入前(基线),24小时QA注入(prelesion)之前,再一次postlesion 2和4周。执行所有的测试在一个昏暗的灯光测试室和个人测试包括以下(为了测试)。

2.6.1。缸测试自发的前肢使用

单独的老鼠被放置在一个丙烯酸缸(20厘米直径40厘米高),和左和右前爪接触缸的墙壁被量化。20总前爪联系人被要求完成每个测试会话。

2.6.2。自发的前肢将使用

前肢将测试评估了老鼠的能力直接前肢运动对感官刺激的反应。老鼠挂着四肢不受支持的,身体的长度平行于边缘的一个表。他们然后提出胡须被刷刺激对桌子边缘的每一方。在天真的老鼠,这引起同侧前肢反应将爪子放在桌子的顶部。每个老鼠收到10与每个前肢连续试验。

2.6.3。步进试验

老鼠被放置在一个平面上,他们的后腿轻轻地通过提高他们的尾巴向上离开前肢放在桌子上表面。动物被逐渐落后,1米/ 30秒,记录每个前爪的调整步骤。

2.7。GDNF ELISA

GDNF分泌物cell-loaded设备植入前确认后再检索从大脑。检索后,所有设备都孵化在HE-SFM 37°C。媒体收集样本(4小时孵化)第二天量化GDNF释放使用商用设备(DuoSet®为人类GDNF;研发系统、明尼阿波利斯、MN)。

2.8。免疫组织化学

老鼠深感麻醉和冰冷的生理盐水灌注transcardially 200毫升的0.9%。生理盐水灌注后,老鼠斩首,GDF分泌的设备被拆除和处理如下所述。大脑被放入Zamboni的固定剂1周,然后转移到25%蔗糖48小时。冻结,40μ米厚的日冕部分在纹状体和黑质剪切和保存。immunoperoxidase标签方法被用来可视化GDNF的体积分布在大鼠纹状体和黑质纹状体神经元NewN-immunoreactive评估。内源性过氧化物酶就熄了在0.1米高碘酸钠20分钟的孵化,和背景染色被小时孵化在溶液中含有2%的牛血清白蛋白或5%正常马血清。组织部分应用了GDNF(研发系统、af - 212 na;1:500)和NeuN(微孔,MAB377;1:1000)在室温下过夜。6洗后,部分顺序孵化1小时的生物素化的马抗体免疫球蛋白(向量实验室;1:200)GDNF和马anti-mouse免疫球蛋白(向量实验室;1:NeuN其次是200)精英avidin-biotin复杂(向量实验室;1:500)75分钟。免疫组织化学反应完成后以0.05% 3、3 - - - - - -diaminobenzidine, 0.005% H2O2和0.05 M硫酸镍(II)。部分是安装在gelatin-coated幻灯片,通过梯度酒精脱水,二甲苯中清除,cover-slipped Cytoseal (richard allan科学,卡拉马祖,MI)。

2.9。量化

光学分馏塔无偏抽样被用来估计的总数NeuN-immunoreactive神经元内纹状体(26,27]。在每一个老鼠,我们评估均布的部分在纹状体长度从最前的程度( 毫米)视神经交叉的尾水平( 毫米)。纹状体是通过概述1.25 x目标使用音响调查员软件(MicroBrightField VT)和NeuN-immunopositive总数在纹状体神经元计算为每一个动物。Cavalieri估计量(26- - - - - -28)被用来评估纹状体的体积,QA病变的程度,GDNF分布。串行日冕部分扩展整个纹状体是如上所述使用采样 μm点网格10倍的目标。QA病变的体积被量化评估的程度没有区域,而GDNF分布是量化的传播通过测量GDNF免疫反应性,以及QA注射的影响和GDNF治疗在纹状体神经人口评估通过计算NeuN-immunostained神经元。量化的相对光密度(OD)纹状体GDNF免疫反应性进行了使用一个奥林巴斯显微镜与计算机辅助形态测量学系统(Scion图像1.63;NIH),如前所述27]。的GDNF疣状纹状体中被识别和手动了。然后OD自动测量采用美国国立卫生研究院图像软件。背景染色强度差异、背景OD测量在每个部分取自语料库callosum-lacking GDNF免疫反应性的资料,然后减去每个GDNF-stained OD的纹状体提供一个最终的OD值。

3所示。结果

3.1。GDNF ELISA

GDNF分泌物cell-loaded设备植入前确认后再检索从大脑。在所有的动物中,植入设备很容易检索没有宿主组织坚持囊壁,他们被完好无损,没有证据表明任何胶囊了原位或在检索过程。所有植入都集中在纹状体。背,设备扩展通过胼胝体,大脑皮层和扩展罕见约前连合的水平。植入前,设备与分泌 ng / 24小时 ng / 24小时GDNF低收入和GDNF高剂量组,分别。四周植入后,GDNF水平相对于preimplant值达到分泌水平的升高 低剂量组和ng / 24小时 ng / 24小时高剂量组。

3.2。组织学

免疫组织化学染色的GDNF从封装细胞分泌透露健壮生长因子的分布在所有的动物。强烈GDNF免疫反应性被视为整个纹状体和苍白球腹侧苍白球。免疫反应性也观察到在胼胝体和皮层附近植入网站(图1(一))。在黑质致密部的神经元GDNF呈阳性,一致的逆行运输蛋白(图1 (c))。纹状体的体积GDNF 毫米3低剂量组和 毫米3高剂量组(图1 (b))。在这些情况下,GDNF分布占的体积约占总数的82%和90%纹状体体积,分别。定量措施的OD GDNF染色证实了高水平的GDNF虽然没有之间的差异被发现低收入和高剂量GDNF组(图1 (d))。

免疫组织化学染色生产NeuN证实QA注射明显spherical-shaped病变,包含大部分的纹状体注射(图的水平2(一个))。定量的估计神经元数量确认QA病变的大小和健壮的GDNF引起的神经保护。虽然QA-lesioned动物神经人数减少了约80%,这一损失主要是预防GDNF神经元与动物表现出适度的15%和6%在低收入和高剂量GDNF组,分别为(图2 (b))。病灶体积决定显示类似的模式与大容量损失由QA显著预防的GDNF(图2 (c))。QA注射产生病变,占据了大约65%的总纹状体的体积。相比之下,GDNF治疗导致一个健壮的神经保护作用,表现为小病变包括只植入纹状体(图4 - 5%2 (d))。

3.3。行为功能

QA产生重大亏损体重减毒的GDNF治疗(图3)。而参与动物失去> 20%的初始重量,没有开始恢复重量大约1星期postlesion, GDNF-treated动物表现出的瞬时损失重量持续约24小时,然后其次是体重增加的典型模式。失去的体重减了两种剂量的GDNF,效益更明显,但不显著,高剂量组。

前肢功能测试气缸、放置和步进试验证实,所有组显示正常的大鼠前肢使用之前研究的起始(preimplant;数据4(一)- - - - - -4 (c)分别)。植入GDNF设备不影响性能在任何行为的任务。相比之下,QA病变产生显著行为赤字所有3测试。这种效果是一致的,没有变化时,在2和4周postlesion动物测试。相对于完整的前肢,表现在侧,受损的前肢下降了69% -73%,82%,49 - 56% ( )放置在这些气缸控制动物,分别和步进测试。相比之下,GDNF-treated老鼠表现出显著的,剂量相关的改善性能的高剂量GDNF导致几乎完全恢复的行为。

4所示。讨论

每年全世界数以百万计的人最终被诊断为神经退行性疾病,是致命的。不幸的是,尽管重要的逐步的进步我们理解许多此类疾病的根本原因,有效的治疗方法还没有被开发。尤其适用于治疗能够减缓甚至扭转阴险和进步许多退化性疾病的性质。尽管识别营养蛋白质,保护和/或增强的功能目标人群的神经元在多种人类疾病的动物模型,翻译临床前的梦想成功诊所尚未实现。

虽然许多因素发挥作用的难度将临床前工作转化为一个有效的疗法,在治疗一个压倒一切的问题是向大脑提供蛋白质在治疗水平。大脑直接交付通常是必要的,因为非常有效的保护性生理和解剖学的血脑屏障(BBB)限制条目交付的大多数系统分子(29日]。试图避开这个障碍,直接将药物和蛋白质注入大脑组织也往往是无效的,因为穷人的点源扩散灌注减少风险有针对性的组织和限制任何治疗的影响13]。这些问题雪上加霜的是,系统交付的药物,尤其是蛋白质,是大型带电分子往往是不稳定的,高总倾向和折叠,使其无效的和潜在的毒性。即使一种蛋白质可以穿过BBB,它将广泛分布和mistargeted全脑实质提升这样的严重副作用的可能性与mistargeting line-derived神经营养因子的蛋白质包括胶质细胞。

在这里,我们描述了使用polymer-encapsulated细胞作为一个平台技术方法已经成熟了在过去的25年,现在已经成为一个可行的治疗选择能够提供有针对性的、长期的、连续的,从头合成的高水平的治疗分子可以分布在大脑的重要部分30.]。在这种方法中,细胞内封闭或“封装”胶囊,半透外墙或膜,可以直接植入到理想的大脑区域(31日- - - - - -33]。囊壁形态可以控制提供一个孔隙结构,允许氧气和营养物质输入和滋养细胞,同时提供一个途径细胞分泌蛋白质,小分子抗体等,从胶囊和扩散到相邻的脑组织。对未密封的细胞免疫反应通常发生是防止因为相同的多孔结构,允许双向流消除损害宿主免疫系统的元素进入胶囊。使用来自人体的细胞进一步消除任何潜在的免疫反应对封装细胞。值得注意的是,本研究采用两种不同剂量的GDNF通过简单地延长时间,封装细胞保持文化植入前。我们选择这种务实的方法只能作为一种展示一个潜在的剂量差异的短期研究认识到这种做法会对长期剂量不足分化作为封装细胞只会达到容量和平衡。几个更加可靠和精确的剂量控制技术可用于临床开发包括修改植入物的数量,改变大小的设备包括直径和长度,消灭的中心设备改变细胞封装的数量,或与不同的分泌率选择克隆细胞系。

Intrastriatal注射QA已经被用来作为模型的亨廷顿氏舞蹈症(HD)因为结果excitotoxic病变产生形态变化类似于在HD (34]。营养因素包括GDNF和其家庭成员neurturin显示承诺在几个不同的神经退行性疾病的动物模型,包括高清(35- - - - - -45]。营养因素的使用有一些独特的吸引力作为一个潜在的治疗在高清因为基因测试允许识别突变基因携带者注定要遭受高清的46]。因此,识别遗传标记提供了潜在的机会之前求情次要神经变性症状的发展。不过,QA产生的急性毒性发作并不足以捕获基因驱动的发病和进展的神经退化的人类疾病,与这里描述的研究应该增强数据来自研究使用高清的基因小鼠模型。

最终,是可行的,几个重要的先决条件需要满足治疗慢性疾病,如高清和进步的本质。在这里,我们表明,封装电池技术可用于提供广泛的和有针对性的提供高水平的GDNF。这些研究使细胞系的发展产生使用transposon-based基因表达系统导致高GDNF分泌一起优化细胞支架和膜促进长期体内细胞生存能力(21- - - - - -23]。额外的研究表明,增加纹状体GDNF持久和稳定的至少6个月的minipig硬膜和14个月大鼠纹状体(最长时间点检查)。广泛GDNF扩散与发音有关行为保护和保全纹状体解剖以NeuN-positive神经元的爱惜和保护纹状体的体积。同时鼓励,后续研究应该提供一个更详细的分析纹状体神经元亚型包括单个神经元的形态和功能的更精确的指标。虽然这里没有显示,我们最近在动物模型(发表了数篇论文31日,32),包括excitotoxic病变(33),使用GFAP免疫组化证实缺乏营养因子交付后炎症反应的时间更长比显示在当前的研究。免疫组织化学也被用来证实GDNF受体参与。GDNF信号通过多组分受体,首先绑定GDNF家族受体α肾小球滤过率(GFR) 1 (α1)与产生的复杂的跨膜受体激酶Ret招聘或神经细胞粘附分子(NCAM)启动下游信号通路。我们发现GDNF治疗显著增加了受体表达,也高度增加RET磷酸化(32]。

正式,GLP-compliant安全/毒理学研究Gloriana疗法(未发表的数据)也证实了该方法的安全性和耐受性,证明minipigs接受双边植入clinical-sized GDNF设备没有食品消费的变化/体重增加或行为,没有血液化学的变化,没有anti-GDNF抗体的生产,没有手术,或者GDNF-related组织病理学改变时指出大脑和周边器官被在有执照的神经病理学家的身份发言了。

总之,这里描述的封装细胞输送系统代表了一个大大提高版本之前的封装细胞系统提供营养因素对大脑和我们的知识是第一个细胞输送系统能够建立持续的基本先决条件,目标,长期提供足够数量的GDNF中枢神经系统。这样,这种方法代表了一种潜在的新型和HD和其他有效的治疗慢性神经退行性疾病。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

LUW和教育部的雇员Gloriana疗法Inc .以营利为目的的生物技术公司正在开发封装电池技术治疗中枢神经系统疾病。所有其他作者宣称他们没有利益冲突。

作者的贡献

教育部和LUW参与设计和概念化的研究。教育部负责所有外科方面的研究,和JHK YC的解剖方面进行研究。全科医生负责统计分析。CT和BB支付顾问时,这些研究和提供技术支持。

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