Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Gunnar Hargus

 

Analysis of murine embryonic stem cells overexpressing the extracellular matrix molecule tenascin-R in vitro and after transplantation in a mouse model of Huntington´s disease

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-94949

title (ger.)

Analyse von matrixprotein Tenascin-R überexprimierenden embryonaler Stammzellen in vitro und nach Transplantation in ein Mausmodell des Morbus Huntington

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2007

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hargusg_ws07.pdf

abstract (deutsch)

Der Morbus Huntington ist eine progredient verlaufende neurodegenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, die aufgrund einer Degeneration striataler GABAerger Projektionsneurone mit einer Störung motorischer und kognitiver Funktionen assoziiert ist. Weil es bislang keine kurativen Behandlungsansätze gibt, war das Ziel dieser Studie, in einem Mausmodell des Morbus Huntington das regenerative Potential von genetisch veränderten murinen embryonalen Stammzellen zu untersuchen, welche das extrazelluläre Matrixmolekül Tenascin-R überexprimieren. Verschiedene Aspekte einer Stammzell-basierten striatalen Neuroregeneration wurden untersucht und umfassten die Differenzierung und Migration von Stammzellen in vitro und in vivo, das Ausbilden von synaptischen Verbindungen zwischen implantierten Zellen und empfängereigenen Neuronen, die Rekrutierung von migrierenden endogenen neuralen Vorläuferzellen, die Bildung von empfängereigenen Neuronen im Striatum und die funktionelle Beurteilung der mit Quinolinsäure läsionierten Tiere nach Transplantation vordifferenzierter Stammzellen.

Im Vergleich zu Kontrollzellen (TNR-) zeigten Tenascin-R überexprimierende embryonale Stammzellen  (TNR+) eine verstärkte Differenzierung in Neurone und eine Tendenz zu einer verminderten Differenzierung in Astrozyten in vitro. Tenascin-R beeinflusste nicht die Differenzierung in neurale Vorläuferzellen sowie deren Proliferation und Apoptose in vitro, inhibierte allerdings die Migration differenzierter Zellen in einem 'scratch assay' in vitro.

Nach Transplantation hatten im Vergleich zu PBS-injizierten Kontrolltieren weder TNR+ noch TNR- Zellen einen positiven Einfluss auf die motorische Regeneration läsionierter Mäuse. Allerdings zeigte eine detaillierte histologische und stereologische Analyse, dass Tenascin-R positive Effekte auf eine Stammzell-basierte Geweberegeneration im Quinolinsäuremodell des Morbus Huntington hatte. So förderte Tenascin-R die Differenzierung von Stammzellen in postmitotische Neurone auf  Kosten der Bildung von Astrozyten 1 und 2 Monate nach Transplantation. Transplantate aus TNR+ Zellen enthielten zweimal mehr NeuN+ Neurone als Transplantate aus TNR- Zellen. Weiterhin hatten circa 50% der Neurone in TNR+ und TNR- Transplantaten einen GABAergen Phänotyp, so dass die absolute Anzahl an GABAergen Neuronen in Transplantaten aus TNR+ Zellen signifikant erhöht war. Tenascin-R inhibierte die Migration von implantierten Zellen in das mit Quinolinsäue läsionierte Striatum und zeigte eine Tendenz, die Anzahl an afferenten und efferenten Verbindungen zwischen transplantierten und empfängereigenen Neuronen zu erhöhen.

Interessanterweise beeinflusste Tenascin-R die Rekrutierung von endogenen, empfänger-eigenen Neuroblasten nach intrastriataler Transplantation von Stammzellen. Tenascin-R förderte ein Ablenken von migrierenden Neuroblasten vom 'rostral migratory stream' durch das Striatum zu den implantierten Zellen. Weiterhin erhöhte Tenscin-R die Anzahl an neugebildeten Neuronen im transplantierten Bereich.

Diese Ergebnisse zeigten, dass die Überexpression eines extrazellulären Matrixproteins durch in vitro vordifferenzierte embryonale Stammzellen eine Geweberegeneration in einem Mausmodell neurodegenerativer Erkrankungen positiv beeinflussen kann.

 

abstract (englisch)

Huntington´s disease is a progressive neurodegenerative disorder of the central nervous system that is associated with a disturbance of motor and cognitive functions due to a degeneration of striatal GABAergic projection neurons. Since current treatments can be regarded as merely symptomatic, this study aimed to investigate the regenerative potential of murine embryonic stem cells genetically manipulated to overexpress the extracellular matrix molecule tenascin-R in a mouse model of Huntington´s disease. Different aspects of a stem cell-mediated striatal neuroregeneration were investigated that included differentiation and migration of stem cells in vitro and in vivo, generation of synaptic connections between engrafted cells and host-derived neurons, recruitment of migrating endogenous neural precursor cells, generation of host-derived newborn neurons within the striatum and functional assessment of quinolinic acid-lesioned animals treated with pre-differentiated stem cells.

In comparison to sham-transfected control cells (TNR-), tenascin-R overexpressing embryonic stem cells (TNR+) showed enhanced differentiation into neurons and a tendency towards reduced differentiation into astrocytes in vitro. Tenascin-R did not influence differentiation into neural precursor cells and their proliferation and apoptosis in vitro but inhibited migration of differentiated cells in a scratch assay in vitro.

After implantation, neither TNR+ nor TNR- stem cells exerted a positive influence on locomotor recovery of lesioned mice when compared to sham-injected control animals. However, detailed histological and stereological analysis showed that tenascin-R had positive effects on stem cell-mediated tissue regeneration in the quinolinic acid model of Huntington´s disease. One and 2 months after transplantation, tenascin-R promoted differentiation of stem cells into postmitotic neurons at the expense of astrocytes. TNR+ grafts contained twofold more donor-derived NeuN+ neurons compared to TNR- grafts. Moreover, about 50 % of donor-derived neurons were GABAergic in TNR+ and TNR- grafts and thus, also the absolute number of GABAergic neurons was significantly enhanced in TNR+ grafts. Tenascin-R reduced the migration of implanted stem cells into the quinolinic acid-lesioned striatum and showed a tendency to enhance afferent and efferent synaptic connection between donor-derived and host-derived neurons.

Interestingly, tenascin-R influenced the recruitment of endogenous, host-derived neuroblasts after intrastriatal implantation of stem cells. Tenascin-R promoted a stem cell-mediated attraction of migrating neuroblasts from the rostral migratory stream through the host striatum towards the engrafted stem cells. Furthermore, tenascin-R enhanced the number of host-derived newborn neurons within the grafted area.

These findings showed that overexpression of an extracellular matrix molecule by in vitro pre-differentiated embryonic stem cells exerts beneficial effects on tissue regeneration in a mouse model of neurodegenerative disease.

 

keywords

Tennascin-R, Morbus Huntington, embryonale Stammzellen; Tennascin-R, Huntington’s disease, embryonic stem cells

kb

17.631