Survival of Cultured and Grafted Embryonic Dopaminergic Neurones - Effects of hypothermia and prevention of oxidative stress

Abstract

Transplantation of embryonic dopaminergic neurones can ameliorate symptoms in Parkinson’s disease, but a major obstacle for clinical transplantations to overcome is the low survival (typically 5-10%) of implanted nigral neurones. If cell death in nigral grafts can be prevented, less embryonic tissue would be needed per transplantation session and hence more patients could receive intracerebral grafts as a therapy for Parkinson’s disease. Cell death in embryonic dopaminergic implants is induced by trauma during donor tissue preparation, and continues after graft implantation into the adult brain.



The neuroprotective effect of different lazaroids (synthetic inhibitors of lipid peroxidation) was demonstrated in different in vitro systems, e.g. cell death induced by serum deprivation in cultures and free radical-induced neuronal death in cell suspensions. Moreover, we showed that resveratrol, which is found e.g. in red wine, can act as an antioxidant and prevent free radical-induced death in mesencephalic cells. However, we also found that in vitro models may not always be reliable when screening neuroprotective agents for transplantation. Results presented in this thesis also show that systemic treatment of graft recipients with the lazaroid Tirilazad Mesylate during the first 3 days after transplantation improves survival of implanted dopaminergic neurones, indicating that oxidative stress in the host brain contributes to death of the grafted neurones. In contrast, spin-trap agents did not affect graft survival in a similar paradigm. Interestingly, mild hypothermia (32-33°C) of the graft recipient during transplantation and for the following 90 min improve the survival and function of nigral grafts, yielding a survival rate of approximately 50% of the transplanted dopaminergic neurones.



Findings from transplantation studies described above suggest that a substantial amount of cell death in nigral grafts occur during the immediate period after implantation. Therefore, strategies to optimise graft survival should be applied during different stages of the transplantation procedure, both before and after implantation of embryonic dopaminergic neurones.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Parksinson’s sjukdom (PD) är en neurodegenerativ sjukdom där dopamininnehållande (dopaminerga) nervceller gradvis dör av oklar anledning, vilket leder till störningar I rörelsemönstret hos patienten. Det finns för närvarande inte någon bot mot sjukdomen och de goda effekterna av medicinering avtar efter 5-10 år.



Genom att transplantera nya dopaminerga nervceller från humana embryon till patienter med PD kan man tillföra nytt dopamin till patientens hjärna och lindra symptomen. Ett problem med denna behandling är att väldigt få, ca 5-20%, av de transplanterade nervcellerna överlever. Detta innebär att celler från flera embryon krävs för att transplantaten ska ge en gynnsam effekt och lindra symptomen i PD. Den stora mängden nervceller som behövs innebär, förutom de etiska problemen med att använda celler från aborterade embryon, att det ofta inte finns tillräckligt mycket vävnad vid transplantations-tilfället. Därför kan inte kliniska transplantationer genomföras så ofta som vi önskar. Genom att tillsätta celldödshämmande läkemedel till de embryonala nervcellerna så att fler celler överlever transplantationsproceduren skulle vi kunna minska mängden vävnad som behövs för varje transplantationstillfälle. Därför är det av högsta vikt att vi förstår så mycket som möjligt om varför dessa nervceller dör och sedan försöka rädda dem.



Transplanterade dopaminerga nervceller dör både innan och efter de sätts in i patientens hjärna (eller i en råtthjärna i djurförsök). Därför kan man försöka skydda de embryonala cellerna t.ex. genom att tillsätta substanser som hindrar celldöd, antingen under preparation av vävnad innan transplantation eller genom att injicera dessa läkemedel i råttan som mottager implantatet. Celler kan dö av flera anledningar och många olika molekyler är inblandade i celldödsprocessen. Denna avhandling fokuserar på ett av alla celldödsprogram nämligen oxidativ stress som orsakas av fria radikaler. Dessa radikaler är väldigt reaktiva och kan orsaka stor skada I cellen om inte tillräckliga halter av antioxidanter finns närvarande.



Vi undersökte först nervceller från ventrala mesencephalon, den del av embryo-hjärnan som innehåller dopaminerga nervceller, in vitro ("utanför kroppen") I olika modellsystem. Till exempel fann vi att en viss typ av substanser, s.k. lazaroider, som kan motverka fria radikal-medierad skada på cellmembran kan skydda odlade dopaminerga nervceller mot stress som induceras av brist på serum I odlingslösningarna. Vissa lazaroider hindrar celler från att dö av ett toxin som genererar fria radikaler. Resveratrol, som är en av substanserna I rödvin kan också skydda mot samma toxin.



I råttor såg vi att tillsats av lazaroider kan öka överlevnaden av transplanterade dopaminerga nervceller, både när donatorvävnaden lazaroid-behandlas innan transplantation och när råttan som mottager ett transplantat injiceras med lazaroider under de första 3 dagarna efter transplantation. Dessa studier tyder på att fria radikaler kan produceras under preparation av vävnad innan transplantation eller efter att cellerna satts in I en råtthjärna.



Hypotermi, nedsänkt kroppstemperatur, kan ge ett väldigt effektivt skydd mot hjärnskada orsakad av trauma eller syrebrist. Därför undersökte vi om mild hypotermi (32-33°C) I råttan som erhåller ett transplantat påverkar överlevnaden av transplanterade nervceller. Vi fann att om råttan var hypoterm under transplantation och de första 90 minuterna efter operationen ökade överlevnaden av de transplanterade dopaminerga nervcellerna markant. Det är svårt att säga exakt varför en nedsänkt kroppstemperatur hindrar celldöd I detta fall, eftersom hypotermi kan påverka många mekanismer i cellen. Ett viktigt resultat av hypotermistudien är att transplanterade nervceller kan räddas genom att behandla mottagarråttan under en så kort tid. Det har tidigare visats att majoriteten av transplanterade dopaminerga nervceller dör under de första 3-4 dagarna efter de satts in I hjärnan. Vårt försök visar att en stor del av celldöden kan ske så tidigt som under de första timmarna efter transplantationen. Detta innebär att eventuell behandling (I syfte att öka överlevnaden av transplanterade nervceller) av en patient som mottager ett transplantat kanske kan begränsas till en relativt kort period efter operationen.



Transplanterade dopaminerga nervceller kan skyddas genom farmakologisk behandling innan de sätts in I mottagarens hjärna och celldöd kan även förhindras genom att behandla mottagarråttan med läkemedel eller nedsänkt kroppstemperatur under den första tiden efter transplantation. Trots dessa behandlingar dör uppskattningsvis 40-50% av de dopaminerga nervcellerna ändå. Denna celldöd orsakas troligtvis av andra celldödsprocesser än de vi manipulerat I våra experiment. Det är också möjligt att celler dör under andra stadier av transplantationsproceduren än de vi studerat, till exempel när embryon som används som donatorvävnad hämtas från den sövda, dräktiga råttan I djurförsöken, eller från rutinaborter I den kliniska situationen. Det är möjligt att kombinationer av olika typer av läkemedel eller trofiska faktorer (som finns naturligt I hjärnan och påverkar mognad och överlevnad av nervceller) I olika stadier av transplantationsproceduren kan öka överlevnaden av transplanterade dopaminerga nervceller ytterligare.

• author: Karlsson, Jenny
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Barker, Roger A, University of Cambridge, England
• organization: Neurobiology (research group)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: Neurology, 6-OHDA, lazaroid, PBN, brain, transplant, Parkinson's disease, dopamine, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 152 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center
• defense date: 2001-03-09 09:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0968bd20-4e0e-446c-b39c-a7229e4a2cd5 (old id 41282)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:00:41
• date last changed: 2018-11-21 21:08:30