Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Studies on the therapeutic potential of adult stem cells in the G93A animal model of amyotrophic lateral sclerosis (ALS)

Knippenberg, Sarah

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease leading to death within 3-5 years. Of all cases 5-10% are familial, among these around 20% are caused by mutations in the Superoxide dismutase 1 (SOD1) gene. Transgenic mice expressing mutant forms of human SOD1 mimic clinical and histopathological aspects of human ALS. The most widely used model is the G93A SOD1 mouse model. For pre-clinical studies in this model, objective and sensitive quantification of disease-onset and progression is required. We thus tested wild-type and transgenic G93A SOD1 mice in several behavioural assessments in order to determine their sensitivity. Mice were tested for general condition, changes in weight, rotarod and footprints analyses. Our results show that motor specific tasks such as rotarod and footprint analysis are most appropriate to record the onset of symptoms as early as possible. Weight and behaviour scores for general condition are additionally helpful in order to monitor disease progression. Differences between females and males, as they appeared in several of our tests, support the importance of gender mixed groups in pre-clinical trials. Because Riluzole is the only FDA-approved treatment for ALS so far, further pre-clinical trials are necessary to develop novel therapies for ALS. Stem cells seem to be a promising tool in the treatment not only of ALS but of neurodegenerative disorders in general. Thereby stem cells from human umbilical cord blood have several advantages to other adult stem cells, for example their low immunogenicity and easy availability. Therefore we transplanted hUCBCs intraspinally in G93A mice, followed by monitoring of survival, motor function, quantification of motor neuron loss and astrocytosis. We could show that intraspinal transplantation of hUCBCs is feasible in transgenic ALS mice. Transplantation of hUCBCs before disease onset, at a time point when no major motor neuron loss had occurred, improved motor skills and prolonged survival of G93A mice. Thereby females responded better to the treatment than males. Histopathologically we demonstrated reduced loss of motor neurons and astrocytosis in hUCBC treated animals. In western blot analyses, no significantly increased production of growth factors could be shown. The apparent neuroprotective effects warrant further investigations of the properties and therapeutic potential of hUCBCs. Fate and differentiation of transplanted cells need to be further elucidated. In addition, different injection schemes with respect to time points, height of the spinal cord and possibly repeated injections in the same animal over time have to be considered. Spinal injection of hUCBCs appears a promising candidate for the treatment of ALS.

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine neurodegenerative Erkrankung mit rasch progredientem, innerhalb von 3-5 Jahren tödlichem Verlauf. Insgesamt sind 5-10% aller Fälle genetisch bedingt, davon wiederum sind ca. 20% Folge einer Mutation im Superoxid Dismutase 1- (SOD1) Gen. Transgene Mäuse, die eine mutierte Form der humanen SOD1 überexprimieren, zeigen sowohl klinische als auch histo­pathologische Ähnlichkeiten zur humanen ALS. Das am häufigsten verwendete Modell ist das G93A- SOD1 Mausmodell. Für präklinische Studien ist eine objektive und genaue Erfassung des Krankheitsbeginns und Fortschreitens wichtig. In einer ersten Studie wurden daher zunächst Wildtyp- und transgene G93A-Mäuse in verschiedenen Verhaltenstests untersucht, um deren Sensitivität in Bezug auf Krankheitsbeginn und –progression zu ermitteln. Die Mäuse wurden auf ihren Allgemeinzustand, Gewichts­veränderungen, im Rotarod und in Footprint- Analysen getestet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass spezifische motorische Untersuchungen wie Rotarod und Footprint- Tests am besten geeignet sind, um den Beginn der ALS-Symptomatik so früh wie möglich zu bestimmen. Gewicht und Allgemeinzustand sind dagegen eher beim Beobachten des Krankheitsverlaufs nützlich. In vielen der Untersuchungen traten geschlechts­spezifische Unterschiede auf, was die Wichtigkeit der Verwendung von gemischtgeschlechtlichen Gruppen in präklinischen Studien deutlich macht. Da Riluzole im Moment das einzige zur Therapie der ALS zugelassenes Medikament ist, sind weitere präklinische Studien erforderlich, um geeignete Therapien gegen diese Krankheit zu entwickeln. Stammzellen stellen einen vielversprechenden neuen therapeutischen Ansatz, nicht nur zur Behandlung von ALS, sondern generell von neurodegenerativen Krankheiten dar. Dabei haben Stammzellen aus humanem Nabelschnurblut den Vorteil geringer Immunogenität und  einfacher Verfügbarkeit. Daher wurden in einer zweiten Studie humane Nabelschnurblut-Zellen ins Rückenmark von G93A-Mäusen transplantiert und daraufhin Überleben und Motorik dokumentiert sowie der Verlust von Motoneuronen und der Grad der Astrozytose im Rückenmark untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die intraspinale Gabe von Nabelschnurblut-Zellen in transgenen ALS Mäusen praktikabel ist. Die Transplantation zum prä-symptomatischen Zeitpunkt, vor manifestem Motoneuron-Verlust, verbesserte die Motorik der Mäuse und verlängerte das Überleben. Dabei sprachen die Weibchen besser auf die Behandlung an als die Männchen. Histopathologisch wurde gezeigt, dass die Stammzellbehandlung zur Reduktion von Motoneuron- Verlust und Astrozytose führte. In Western Blot Analysen konnte keine verstärkte Produktion von Wachstumsfaktoren nachgewiesen werden. Die beobachteten neuroprotektiven Effekte rechtfertigen weitere genauere Untersuchungen der Eigenschaften und des therapeutischen Potentials von Nabelschnurblut-Zellen. In weiteren Studien sollten der Verbleib und die Differenzierung der transplantierten Zellen weiter aufgeklärt werden. Außerdem sollen verschiedene Injektionsschemata mit unterschiedlichen Behandlungs­zeitpunkten, Injektion auf unterschiedlichen Höhen des Rückenmarks und eventuell wiederholte Injektionen geprüft werden. Die intraspinale Injektion humaner Nabelschnurblutzellen erscheint als vielversprechender neuer Therapieansatz der ALS.

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Knippenberg, Sarah: Studies on the therapeutic potential of adult stem cells in the G93A animal model of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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