HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – University of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Mandy Verona Vienna Stubbendorff

 

Experimentelle Untersuchungen zur Abstoßung nach Transplantation von

mesenchymalen Stroma-Zellen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2879

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2018

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_stubbendorff18.pdf

Zusammenfassung

Mesenchymale Stroma Zellen (MSC) haben in der letzten Dekade an Bedeutung für regenerative zellbasierte Therapien gewonnen. Zusammengefasst zeigen die hier präsentierten Studien, dass MSC verschiedener Genese sich in ihren immunologischen, immunmodulatorischen und zellbiologischen Eigenschaften unterscheiden. Die hier diskutierten Studien beleuchten die immunologischen, immunmodulatorischen und zellbiologischen Fähigkeiten von MSC verschiedener Genese hinsichtlich ihrer Eignung für zellbasierte Therapien. Die Ergebnisse lassen die Identifizierung der aus dem Nabelschnurgewebe gewonnenen MSC (clMSC, CL-MSC) als die am besten für eine allogene Transplantation für regenerative Therapien geeigneten Zellen zu.

Die Eigenschaften von MSC aus Knochenmark junger Spender, Spender fortgeschrittenen Lebensalters und älterer multimorbider Spender wurde betrachtet, ferner wurden MSC aus peripartalen Geweben wie Nabelschnurgewebe, Wharton´s Sulze, Nabelschnurblut und Plazenta untersucht.

Zunächst wurden alle Zellen nach den Vorgaben der International Society for Cellular Therapy [Dominici et al. 2006] hinsichtlich der minimalen Anforderungen für MSC Charakterisiert. Außerdem wurden der Phänotyp, die Proliferationsrate, die Migrationsfähigkeit und die Adhäsion an Endothelzellen, Immunogenität und immunmodulatorische Fähigkeiten und auch die xenogene in vivo Immunaktivierung, untersucht.

Unter allen untersuchten MSC zeigten die clMSC eine signifikant niedrigere HLA-ABC Expression, eine stärkere Produktion der tolerogenen Zytokine TGFβ und IL-10 und zeigten darüber hinaus eine signifikant schnellere Proliferation. Die in vitro Aktivierung von Lymphozyten und die xenogene in vivo Immunaktivierung durch die clMSC war signifikant schwächer.

Die Stimulierung mit 25ng/ml IFNγ verstärkte die immunogenen Eigenschaften der clMSC, durch Erhöhung von HLA-ABC und HLA-DR, hob jedoch gleichzeitig die tolerogenen Eigenschaften mit an. Die Expression von HLA-E und HLA-G wurde verstärkt, es wurde mehr TGFβ und IL-10 ausgeschüttet und gleichzeitig kam es zu einem Anstieg von IDO. Höhere Konzentrationen von IFNγ (>50ng/ml) verstärkten diesen tolerogenen Effekt noch und gleichzeitig verringerte sich die Expression der immunogenen Oberflächenmoleküle. Der Veto-Effekt von MSC wird durch steigende IFNγ Mengen angehoben.

Unterschiede zwischen den in den verschiedenen Studien untersuchten MSC konnten in der Differenzierungsfähigkeit, der Proliferation, sowie der Migration festgestellt werden, wobei die clMSC die höchsten Raten aller getesteten MSC Populationen aufwiesen. Darüber hinaus zeigte sich bei den clMSC das größte longitudinale Überleben nach xenogener Transplantation, was im Zusammenhang mit der niedrigen ausgelösten TH1 und TH2 Antwort steht.

Im Vergleich zeigen die clMSC die besten Charakteristika für die Anwendung in zellbasierten Therapien, sie sind hypoimmunogen und proliferieren und migrieren gut. Zusätzlich haben die clMSC eine gute immunmodulatorische Kapazität.

Eine genauere Betrachtung der Abstoßung wurde bei der Applikation von Zellen, die dem Empfänger nur in Teilen fremd waren vorgenommen. Hier wurden Zellen, die dem Empfänger gänzlich fremd waren, solche mit einem fremden Zellkern, Zellen mit fremden Mitochondrien und mit dem Empfänger identische Zellen nach Applikation untersucht. Die Erzeugung von Zellen mit unterschiedlicher mitochondrialer DNA war durch Verwendung der SCNT Technik möglich.

Die Prozesse der Abstoßung von transplantierten MSC entsprechen mechanistisch denen der soliden Organtransplantation, um dies zu verdeutlichen wurde eine Studie zur Abstoßung nach Herztransplantation in diese Arbeit aufgenommen. Ferner wurde mit dem Aortentransplantations-Modell in der Ratte eine Möglichkeit der Untersuchung der Transplantatvaskulopathie eingebracht. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass immunologisch viele Parallelen in der Abstoßung von soliden Organen und Einzelzellen bestehen, können für beide Therapiefelder ähnliche Lösungsansätze beforscht werden.

Zusammenfassend zeigen die aus Nabelschnurgewebe isolierten MSC ein besseres immunogenes Profil und stärkeres immunsuppressives Potential als aus Knochenmark isolierte MSC. Unter den aus peripartalen Geweben isolierten MSC zeigten sich die MSC aus Nabelschnurgewebe als die vielversprechendsten Zellen für zellbasierte Therapien. Überaschenderweise haben bei den aus Knochenmark isolierten MSC Spenderalter und Spendermorbidität keinen Einfluss auf die immunologische und immunmodulatorische Kapazität, aber auf die zellbiologischen Eigenschaften wie Proliferation und Migration, Angiogenese und Adhäsion. Aufgrund der hier angeführten Ergebnisse kann postuliert werden, dass die MSC aus Nabelschnurgewebe die vielversprechendsten MSC für Zellbasierte Therapien sind, dennoch werden aus dem Knochenmark isolierte MSC weiterhin die Zellen der ersten Wahl für autologe Zelltherapien bleiben, es sei denn die Nabelschnur des Patienten wurde zum Zeitpunkt seiner Geburt bereits kryokonserviert.

Summary

Mesenchymal stromal cells (MSC) have gained attention for regenerative therapies over the past decade. The studies presented here display that in MSC of different origin the immunological and biological criteria can be very different. These findings are leading to the identification of the cord lining derived MSC (clMSC, CL-MSC) as the MSC source yielding the most suitable cells for allogeneic transplantation for regenerative therapies.

Here an immunologic comparison for properties and suitability for cell based therapies between human MSC derived from bone marrow of young, elderly and multi-morbid elderly patients, as well as gestational extra embryonic tissues such as cord lining material, Wharton´s jelly, cord blood and placenta is presented.

At first, all cells were characterized to meet the minimal criteria of MSC, which were defined in a position statement of the International Society for Cellular Therapy [Dominici et al. 2006]. Furthermore, the phenotype, proliferation rate, migration capacity, adhesion to endothelial cells, immunogenicity and immonomodulatory capabilities as well as xenogeneic in vivo immune activation were tested.

Among the MSC populations tested, clMSC had significantly lower HLA-ABC expression, higher production of tolerogenic TGFβ and IL-10, and showed significantly faster proliferation. In vitro activation of allogeneic lymphocytes and xenogeneic in vivo immune activation was significantly weaker.

IFNγ at 25 ng/ml increased both immunogenicity by upregulation of HLA-ABC / HLA-DR expression and tolerogenicity by increasing HLA-G and HLA-E expression, augmenting TGFβ and IL-10 release, and inducing IDO expression. Higher concentrations of IFNγ (>50 ng/ml) further enhanced the immunosuppressive phenotype of clMSCs, more strongly downregulating HLA-DR expression and further increasing IDO production. The veto function of MSC is enhanced in escalating IFNγ environments.

Differences were noted in differentiation, proliferation, and migration, with clMSCs showing the highest proliferation and migration rates resulting in all MSC lines tested. Moreover, CL-MSCs showed a prolongation in survival in xenogeneic BALB/C mice, which was attributed to their ability to dampen TH1 and TH2 responses.

In summary, clMSCs showed the best characteristics for cell-based therapeutic strategies, as they are hypo-immunogenic and show high proliferation and migration rates. In addition, clMSC have measurable immunomodulatory effectiveness.

A more detailed picture of rejection was given in a study in which the recipient was injected with cells that were only partially different from his own. Here cells were injected that were completely unknown to the recipient, others that had a foreign nucleus, another group of cells had foreign mitochondria and the last group was autologous. To create cells carrying foreign mitochondrial DNA the SCNT technique was used.

The mechanisms of rejection after MSC transplantation are comparable to those after solid organ transplantation, to highlight this, a study about rejection after cardiac transplantation was integrated. Moreover via the aortic transplantation model in the rat a technique was introduced to evaluate transplantation vasculopathy. Taking into consideration that there are many common immunological mechanisms in the rejection after solid organ transplantation and single cell application, for both therapeutic fields common solutions to overcome rejection can be searched for.

In conclusion, cord lining derived MSC show a more beneficial immunogenic profile and stronger overall immunosuppressive potential than bone marrow derived MSC. Among the extraembryonic tissue derived MSC the cord lining derived MSC seem to be the most promising candidates for cell based therapies. Surprisingly among the bone marrow derived MSC the donor age and morbidity do not have an impact on the immunological and immunomodulatory capacity, but on proliferation and migration capability as well as angiogenesis and adhesion. In consequence of the findings one can postulate that the cord lining derived MSC are the most promising cells for cell based therapies, nevertheless bone marrow derived MSC are the recommended cells for autologous cell therapies if no umbilical cord of the patient has been cryo-preserved.

keywords

Mesenchymale Stroma-Zelle, Abstoßung, Transplantation ; Mesenchymal Stromal Cell, Rejection, Transplantation

kb

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