Use of neural progenitor cell lines and astrocytes for transplantation and gene transfer to the CNS.

Abstract

Intracerebral neuronal transplantation have been shown to ameliorate symptoms of brain dysfunction in both animals models and Parkinson's disease, although problems still remain. The newly introduced technique of ex vivo gene transfer could serve as an alternative approach, possible avoiding some of the draw-backs of the embryonal tissue used in neuronal grafting. We have investigated the feasiblilty of primary astrocytes and conditionally immortalized neural progeintor cell lines as transgene-carriers. The results show that these cell types survive well after transplantation, without apparent tumor formation or tissue perturbation, over extended periods of time. All cell types studied here were shown to be well accepted by the host, to migrate away from the injection site and become integrated in the surrounding host tissue. The transplanted neural progenitor cell lines were found to respond to lesion-activated signals form the host brain in a manner similar to the resident glial population, strongly suggesting that the grafted progenitors are able to integrate both anatomically and physiologically with the host CNS. A proportion (almost 50%) of the undifferentiated immortalized cell lines were found to differentiate into mature phenotypes after grafting to the adult rat brain. The vast majority of the grafted cells presented glial-like morphologies after grafting into the adult rat striatum. However, the brain stem-derived RN33B, differentiated into substantial numbers of neurons in a highly target-specific manner. The results thus indicate, firstly, that the immortalized neural progenitor cell lines possess the capacity to differentiate adequately in response to host-derived signals and, secondly, that the adult brain expresses the cues needed to induce such differentiation. The experiments performed to analyze the functional efficacy of primary astrocytes and immortalized neural progenitor cell lines as transgene carriers revealed that this mode of gene transfer holds great potential. Transduction of either a neurotransmitter-producing enzyme (TH) or a neurotrophic factor (NGF) resulted in functional effects in the models used. These results indicate that ex vivo gene therapy in the brain is possible and that neural cells, used a vehicles for the transgenes, would be feasible in this context. The results of the present thesis serve as a good basis for the design of future experiments regarding the search of differentiating signals retained by the adult brain, as well as further development of ex vivo gene transfer to the brain towards clinical applications.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Transplantation av nervvävnad till hjärnan är inte en ny idé. Redan 1890, publiserade Thompson de första försöken att transplantera vuxen hjärnvävnad till det vuxna centrala nervsystemet och han rapporterade att vävnaden överlevde i sju veckor "without wholly losing its identity". Trots detta var det först under 1970-talet som metoderna för intracerebral nervcellstransplantation utvecklades och uppflöjande experiment på funktionen av dessa transplantat kunde göras i olika djurmodeller för störd hjärnfunktion. Dessa experiment ligger till grund för de nyligen genomförda kliniska försök där embryonal substantia nigra transplanterats till striatum på patienter med Parkinsons sjukdom med lovande resultat. Användadet av embryonal vävnad i klinisk praktik är dock inte helt problemfri. Det finns t ex risk för överföring av infektioner från donator till motagare, tekniska problem såsom dålig överlevnad av de transplanterade cellerna, och sist men inte minst etiska aspekter att ta hänsyn till. Utvecklingen av rekombinant DNA teknik har utmålats som en väg att dramatiskt förbättra medicinsk terapi, genom sk genterapi. Möjligheten att påverka genuttrycket i celler med onormal funktion och på så sätt mildra sjukdomssymtomen, inger ett stort hopp om effektiv behandling av många förödande tillstånd. Föreslagna applikationer i hjärnan är t ex medfödda fel i cellens ämnesomsättning, hjärntumörer, slaganfall och neurodegenerativa sjukdomar. I den föreliggande avhandlingen kombineras de två applikationerna, transplantation till hjärnan och genöverföring, och vi har undersökt dels hur de transplanterade cellerna beter sig efter transplantation till hjärnan och dels om vi kunde mildra symtomen i två olika djurmodeller av neurodegenerativa processer i centrala nervsystemet. Som alternativ till diffrentierade nervceller har vi undersökt, dels gliaceller, dels cellinjer från embryonal hjärnvävnad. Cellinjerna är av sk temperaturkänslig typ, vilket betyder att de delar sig vid 33°C men slutar proliferera och påbörjar sin diffrentiering vid 37-38°C. Alla olika celltyper som vi undersökt i detta arbete visade sig kunna integrera väl med värdhjärnan efter transplantation till vuxna råttors striatum. De migrerade upp till 1.5 mm ut från injektionsstället, och spred sig ut över hela striatum. Deras antal steg initialt till ungefär det dubbla, men var sedan i princip stabilt i upp till 6 månader efter transplantationen, utan att tumörväxt kunde detekteras i något fall. Majoriteten av de transplanterade cellinjerna uppvisade glia-lik morfologi, och i oskadad striatum uttryckte ca 10-15% av cellerna glia-specifikt protein. Ultrastrukturellt visade cellerna upp morfologier som var identiska med normalt förekommande gliaceller i hjärnan. När vi aktiverade gliapopulationen i striatum svarade de transplanterade cellinjerna adekvat på skade.inducerade signaler från värdhjärnan. Detta resultat talar för att cellerna inta bara är integrerade morfologiskt, utan även funktionellt i värdvävnaden. På så sätt har de transplanterade cellerna möjlighet att delta i de normala funktioner gliaceller utövar i hjärnan. Andelen celler som antog nervcells-fenotyp var i de flesta fall mycket liten, förutom efter transplantation av den hjärnstams-deriverade cellinjen RN33B. Denna cellinje genererade upp till 15% nervceller. Dessa celler uttryckte inte bara allmäna neuron-specifika protein, utan också protein specifika för striatala projektionsneuron samt etablerade kontakt med globus pallidus, ett av de målområden som normalt innerveras av striatum. Sammantaget visar resultaten att denna typ av celler har många av de egenskaper som krävs för att effektivt kunna införa nya eller förlorade genprodukter till hjärnan med hjälp av genterapi. I försöken med genöverföring var cellerna effektiva i råttmodellen för Parkinsons sjukdom, där gliaceller var modifierade att uttrycka tyrosinhydroxylas och på så sätt producera DOPA, prekursorn till dopamin. Den funktionella effekten mättes i from av minskad motorisk assymetri hos den transplanterade råttan vid dopamin-agonist stimulering. NGF-producerande temperatur-känsliga celler visade sig kunna helt motverka den celldöd som kolinerga nervceller i mediala septum genomgår när deras axoner skärs av. Denna NGF-effekt har visats tidigare i experiment där NGF har infunderats i hjärnans ventrikel system, men dosen NGF som behövdes för samma effekt var betydligt lägre, kanske bara en 10-del, när de NGF-uttryckande cellerna användes. Sammanfattningsvis visar resultaten att det är möjligt att påverka hjärnans funktion med transplanterade celler av glia-typ som ektopiskt uttrycker specifika, funktionella protein. Dessa fynd torde kunna ligga till grund för utvecklingen av kliniska applikationer, men det är viktigt att betona att de försök som gjorts hittills representerar de initiala stegen mot en sådan användning. Mycket arbete kvarstår för att få kunskap om de optimala förfaringssätten i en klinisk situation.

• author: Lundberg, Cecilia
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Svendsen, Clive N.
• organization: CNS Gene Therapy (research group)
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: fimbria-fornix lesion, NGF, tyrosine hydroxylase, Parkinson's disease, integration, differentiation, temperature-sensitive, grafting, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 143 pages
• defense location: Segefalkssalen, Wallenberg Neuroscience Center, Lund University, Lund, Sweden
• defense date: 1996-06-08 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMED/MEAH.1027-SE
• ISBN: 91-628-2096-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 115d8ff3-5dcc-40e7-907d-e23d25f4a047 (old id 28497)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:01:30
• date last changed: 2018-11-21 21:11:49