Dissertation

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

Nicole Jungwirth

Investigation of the modulatory effects of mesenchymal stem cells for support of remyelination in the CNS

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109176

title (ger.)

Untersuchung der modulatorischen Effekte von mesenchymalen Stammzellen auf die Förderung der Remyelinisierung im zentralen Nervensystem

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/jungwirthn_ws16.pdf

abstract (deutsch)

In den vergangenen Jahren gewannen mesenchymalen Stammzellen (MSC) in der Human- sowie in der Veterinärmedizin vermehrt an Popularität. MSC werden häufig zur Verbesserung der Regeneration bei einer Vielzahl von entzündlichen Erkrankungen eingesetzt. Die Mechanismen, durch die MSC ihre Funktionen ausüben, sind weitgehend unbekannt. In der Literatur sind regenerationsfördernde sowie entzündungshemmende Eigenschaften von MSC beschrieben. Als möglichen Mechanismus, über den MSC ihre Effekte ausüben, wird eine Interaktion zwischen MSC und dem angeborenen sowie erworbenen Immunsystem diskutiert, die zu einer Freisetzung von verschiedenen Effektormolekülen führt. Die Applikation von MSC zu Beginn bzw. am Höhepunkt der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) führte zu einer signifikanten Verbesserung des klinischen Verlaufes. Ob MSC für eine erfolgreiche Behandlung von Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS) geeignet sind, wird kontrovers diskutiert. Ziel dieser These war die Untersuchung des in vivo Verhaltens von kaninen, humanen und murinen MSC nach Transplantation in immunkompetente Mäuse. Des Weiteren wurden die Effekte von MSC auf den Grad der De- und Remyelinisierung in einem toxisch-induzierten Mausmodell untersucht.

Im Fokus der ersten Studie stand die Frage, ob MSC in der Lage sind nach einer intraventrikulären Transplantation in immunkompetente Mäuse zu überleben, zu differenzieren und/oder sich in das Wirtsgewebe integrieren können. Es zeigte sich, dass MSC von allen drei verwendeten Spezies in vivo nicht in der Lage waren, zu proliferieren, differenzieren oder zu integrieren. Die xenogene, intraventrikuläre Transplantation von kaninen und humanen MSC in immunkompetente Mäuse resultierte in einem unerwarteten Befund. Es wurden intraventrikulär Zellverbände festgestellt, die von T-Lymphozyten umgeben bzw. teils infiltriert wurden.

Immunkompetente Mäuse, die eine syngene, intraventrikuläre Transplantation von murinen MSC erhielten, wiesen ebenfalls intraventrikuläre Zellverbände auf. Bei diesen Tieren wurde interessanter Weise keine Zellverband-assoziierte Entzündungsreaktion festgestellt. MSC zeigten unabhängig von der Spenderspezies eine kurze Überlebenszeit in vivo. Zusammenfassend zeigte diese Studie, dass die xenogene im Vergleich zur syngenen MSC-Transplantation von einer T-Zell-dominierten Transplantatabstoßungsreaktion begleitet wird und somit MSC nicht als „für das Immunsystem unsichtbar“ klassifiziert werden sollten.

Im Fokus der zweiten Studie lag ein translationaler Ansatz, bei dem die Fähigkeiten von kaninen, humanen und murinen MSC zur Verminderung von Demyelinisierung bzw. Förderung von Remyelinisierung im Cuprizon-Mausmodell untersucht wurden. Die Transplantation von MSC in den Ventrikel oder in die induzierte Läsion erfolgte in der dritten bzw. vierten Woche der Cuprizon-Fütterung. Die MSC-Transplantation hatte keinen Einfluß auf den Grad der De- bzw. Remyelinisierung, auf die Anzahl der Oligodendrozyten, Mikroglia sowie den Grad der Astrogliose. Die Tatsache, dass MSC im Cuprizon-Modell nicht zu einer Förderung der Remyelinisierung führte, könnte modellbedingt an einer intakten Blut-Hirn-Schranke liegen. Im Cuprizon-Modell kommt es nicht zu einem Schaden der Blut-Hirn-Schranke, was dazu führt, dass das periphere Immunsystem nicht aktiviert wird und somit nicht mit den ablaufenden Entzündungsprozessen im zentralen Nervensystem interagiert. Die lokale Umgebung bei Cuprizon-behandelten Mäusen ist nicht in der Lage MSC zu aktivieren, deren Differenzierung oder Integration zu stimulieren sowie direkt oder indirekt die Remyelinisierung zu fördern. Die Befunde im Cuprizon-Modell stehen im Gegensatz zu den Beobachtungen bei EAE, wo es durch MSC Gabe zu einer Verbesserung des klinischen Erkrankungsverlaufes gekommen ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass kanine, humane sowie murine MSC nach intraventrikulärer Applikation Zellverbände innerhalb des Ventrikels bilden. Die Überlebenszeit von MSC in vivo war begrenzt, da MSC nicht in der Lage waren zu proliferieren bzw. zu differenzieren. Die xenogene MSC Transplantation führte zu einer T-Zell-dominierten Transplantatabstoßungsreaktion, welche nach syngener MSC- Transplantation nicht auftrat. Im Cuprizon-Modell hatten MSC keinen Einfluß auf den Grad der De- und Remyelinisierung, die Anzahl der Astrozyten und Mikroglia sowie den Grad der Astrogliose. Zukünftige Untersuchungen bezüglich des Einflusses von MSC auf De- und Remyelinisierung sollten in Tiermodellen erfolgen, bei denen eine Beteiligung des peripheren Immunsystems eine Rolle spielt.

abstract (englisch)

Mesenchymal stem cells (MSC) achieved an increasing popularity in veterinary and human medicine. They are frequently applied for the improvement of regeneration in a variety of inflammatory diseases. The mechanisms by which MSC exert their functions are largely unknown. Beneficial effects of transplanted MSC with respect to regeneration or reduction of inflammation have been demonstrated. An interaction between MSC with the innate and adaptive immune system causing a release of different effector molecules is proposed as key mechanism of MSC action. An amelioration of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) was described when MSC were transplanted at the onset or at the peak of the disease. However, the efficacy of MSC for the treatment of central nervous system (CNS) diseases is controversially discussed. Therefore this thesis investigates the in vivo behavior of canine, human and murine MSC following transplantation into immunocompetent mice and studies the impact of MSC upon toxin-induced CNS de- and remyelination.

In the first study the ability of MSC to survive, differentiate and integrate into the host tissue following intraventricular transplantation in immunocompetent mice was investigated. MSC derived from three different species neither showed a proliferation, nor differentiation or integration into the host tissue following transplantation. Xenogeneic intraventricular transplantation of canine and human MSC into immunocompetent mice resulted in an unexpected, intraventricular cluster formation which was associated with a T-lymphocyte dominated immune response. Syngeneic intraventricular transplantation of murine MSC resulted in a similar intraventricular cluster formation of MSC. Interestingly, these clusters were not associated with an inflammatory reaction as observed following xenogeneic MSC transplantation. Independent of the graft species MSC showed a short survival time following transplantation and they were not detected at 49 days post transplantation. Summarized, this first study showed that xenogeneic in contrast to syngeneic MSC transplantation induces a T-lymphocyte dominated host versus graft reaction indicating that MSC are not as immune privileged as previously assumed.

In the second study a translational approach using canine, human and murine MSC was selected to investigate the ability of MSC to reduce demyelination and promote remyelination in the cuprizone mouse model. In this study MSC out of three different species were either intraventricularly or intralesionally transplanted at week 3 or week 4 of cuprizone feeding. MSC transplanted at week 3 or week 4 had no impact upon the degree of de- and remyelination, the number of oligodendrocytes, number of microglia as well as the degree of astrogliosis. The failure of MSC in the cuprizone model to promote remyelination may be related to the integrity of the blood brain barrier (BBB). In the cuprizone model an intact BBB is maintained and the peripheral immune system is not involved in CNS response. The local CNS environment in cuprizone treated mice is not capable to activate MSC to further differentiate, integrate or promote directly or indirectly remyelination. This is in contrast to observations from EAE where MSC ameliorated the clinic course of the disease.

Summarized, MSC of canine, human and murine origin formed similar cell clusters following intraventricular transplantation. Their survival time in vivo was limited since transplanted MSC did neither proliferate nor undergo further differentiation. Xenogeneic transplantation of MSC was followed by a T-lymphocyte dominated graft reaction which was lacking when MSC were syngeneically transplanted. In a translational approach using the cuprizone model MSC had no impact upon the degree of de- and remyelination, the number of astrocytes and microglia as well as the degree of astrogliosis. Future studies investigating the impact of MSC upon CNS de- and remyelination should use animal models in which an involvement of the peripheral immune system is described.

keywords

Mesenchymale Stammzellen, kanine Mesenchymale Stammzellen, Transplantatabstoßung; Mesenchymal stem cells, canine mesenchymal stem cells, graft rejection

kb

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