Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

GLP-1 sezernierende mesenchymale alginatverkapselte Stammzellen zur Neuroprotektion nach Schädel-Hirn-Trauma

Rittmann, Pia

Traumatic brain injuries often occur after accidents in humans and animals. In many cases, the patients suffer life-long, permanent disabilities due to strong defect healing. Because of the lack of therapeutic approaches for treatment of secondary posttraumatic consequential injuries, until today complex brain injuries mostly to be treated solely symptomatically. A new concept of treatment is the direct cerebral implantation of genetically modified stem cells, which encapsulated in alginate continually release neuroprotective therapeutica. Alginate has proven well suited for this task due to its ability to form semipermeable, immunoisolating membranes. The goal of this study is the analysis of intracranial biocompatibility of alginate and the vitality of the encapsulated cells. Additionally, the effectiveness  of the glucagon-like peptide-1 (GLP-1), which is secreted from alginate encapsulated human mesenchymal stem cells, was tested for treatment of the secondary posttraumatic injuries caused by a experimentally induced, moderate traumatic brain injury. In the context of the biocompatibilty testing, both implants without cells and with xenogen stem celllines were implanted into the brain of immunodeficient, as well as immunocompetent rats. The possible host versus graft reaction and the vitality of the encapsulated stem cells were tested based on histological, morphological and functional methods. For analyzation of the effectiveness of GLP-1 after a traumatic brain injury, a moderate, focal brain contusion was induced by means of the "controlled cortical impact" practise and afterwards two animal groups were investigated compared with and without GLP-1 secreting implants. The evaluation was conducted by the means of histological and immunohistological, as well as motoric (Beam Balance Test, Beam Walking Test) and cognitive (Morris Water Maze) tests. Histological examination includes investigations of cytoskeleton injuries, degenerative and inflammatory processes immunohistologically with 4 antibodies (glucagon-like peptide-1, microtubule-associated protein-1, glial fibrillary acidic protein and MHC class II surface antigene OX6). The biocompatibility evaluation showed that  after 8 weeks in-vivo the implants were subject to a secure immunoshielding both in immunodeficiant and immunocompetent animals. Additionally no host versus graft reaction could be determined at the place of implantation and the encapsulated cells remained vital and functioning after the implantation. In judging the therapeutic effectiveness it could be shown that after 4 and 8 weeks there was a release of active substance. Neuroprotective effects of the GLP-1 were shown by a reduction of astrocytal glial reactions and a reduced microglial activation. Based on motoric and cognitive tests, the GLP-1 treated animals showed a significant shorter motoric posttraumatic recovery time that can be judged as a tendancy learning characteristics and the memory of the animals. The conducted tests proved the successful used of alginate encapsulated stem cells and the neuroprotective potential of GLP-1 as a therapeutic system for  treatment of secondary injuries after traumatic brain injuries.

Das Schädel-Hirn-Trauma tritt häufig als Folge von Verkehrsunfällen bei Mensch und Tier auf und ist anhand einer hohen Defektheilung mit einer meist lebenslangen Behinderungen der Patienten verbunden. Aufgrund eines fehlenden verfügbaren Therapeutikums zur Behandlung sekundärer posttraumatischer Folgeschäden, werden die komplexen Gehirnverletzungen bis heute nur symptomatisch behandelt. Ein neuer Therapieansatz ist eine direkte zerebrale Implantation gentechnisch modifizierter Stammzellen, die mit Alginat verkapselt, neuroprotektive Therapeutika freisetzen. Alginat hat sich dabei mit seiner Fähigkeit zur Bildung semipermeabler, immunisolierender Membranen als sehr geeignet erwiesen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der intrakraniellen Biokompatibilität des Alginates und der Vitalität der verkapselten Stammzellen. Zudem sollte die Wirksamkeit des Glucagon-like Peptide-1 (GLP-1), welches nach ventrikulärer Implantation von alginatverkapselten humanen mesenchymalen Stammzellen sezerniert wurde, auf die sekundären Folgeschäden eines experimentell induzierten, moderaten Schädel-Hirn-Traumas überprüft werden. Im Rahmen der Biokompatibiltätsuntersuchung wurden sowohl Implantate ohne Zellen als auch mit einer xenogenen Stammzellliniebei einem immundefizienten und einem immunkompetenten Rattenstamm zerebral verabreicht. Anhand histologischer, morphologischer und funktioneller Auswertungen wurden die gewebliche Abstoßungsreaktion und die Vitalität der verkapselten Stammzellen untersucht. Zur  Analyse der Wirksamkeit des GLP-1 nach einem Schädel-Hirn-Trauma wurden bei den Versuchstieren eine moderate, fokale Kontusionsverletzung mit Hilfe des „Controlled Cortical Impact“ erzeugt und dessen Auswirkungen ohne Implantation und mit sowohl leeren als auch GLP-1 sezernierenden Implantatenüberprüft. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe histologischer, immunhistologischer Verfahren und anhand motorischer (Beam Balance Test, Beam Walking Test) und kognitiver Tests (Morris Water Maze Test). Bei der Beurteilung der posttraumatischen Schädigungen wurden allgemeine histologische Veränderungen, Zytoskelettverletzungen, degenerative und entzündliche Prozesse immunhistologisch mit  4 Antikörpern untersucht (Glucagon-like Peptide-1, Microtubule-associated Protein-1, Gliafaserprotein und mikrogliäres MHC Klasse II Oberflächenantigen OX6). Anhand der Biokompatibilitätsuntersuchung konnte gezeigt werden, dass die Implantate nach einer Versuchsdauer von 8 Wochen sowohl bei immundefizienten als auch bei immunkompetenten Tieren einer sicheren Immunabschirmung unterlagen, zu keinerlei Nebenwirkungen am Implantationsort in Form einer Abstoßungsreaktion führten und dass die verkapselten Zellen nach der Implantation vital und funktionsfähig waren. Im Rahmen der Beurteilung der Wirksamkeit konnten nach einer Versuchsdauer von 4 und 8 Wochen eine signifikante Wirkstofffreisetzung und neuroprotektive Effekte des GLP-1 durch eine Abnahme der astrozytären Gliareaktion und eine reduzierte Mikrogliaaktivierung gezeigt werden. Anhand der motorischen und kognitiven Untersuchungen ließen sich bei den mit GLP-1 behandelten Tieren signifikant verkürzte motorische posttraumatische Erholungszeiten nachweisen, die tendenziell auch bei der Beurteilung des Lernverhaltens und des Gedächtnisses zu sehen waren. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigten den erfolgreichen Einsatz alginatverkapselter Stammzellen und das neuroprotektive Potential des GLP-1 als Therapeutikum zur Behandlung sekundärer Folgeschäden, die nach einem Schädel-Hirn-Trauma entstehen.

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Rittmann, Pia: GLP-1 sezernierende mesenchymale alginatverkapselte Stammzellen zur Neuroprotektion nach Schädel-Hirn-Trauma. Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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