Human neural stem cells: region-specific properties and prospects for cell therapy

Abstract

Cell replacement by neural transplantation can, in animal models of neurodegenerative diseases, reconstruct damaged brain circuitry. In the clinical situation, the graft material used for cell therapy must, most likely, be of human origin. The human fetal brain is one potential source of neural stem cells (NSCs) for cell replacement therapy in neurodegenerative disorders such as stroke. Stroke is the leading cause of disability in adult humans and treatments for beneficial and efficient recovery are today lacking. In the most common form of human stroke, i.e. occlusion of the middle cerebral artery, mainly neurons in the cortex and striatum die. Therefore, we wanted to generate NSCs lines derived from the human fetal cortex and striatum and explore whether they maintain an intrinsic cellular identity in culture, consistent with their region of origin. Moreover, we wanted to investigate their capacity and potential after transplantation into the striatum of intact newborn and stroke-lesioned adult rats. Furthermore, we wanted to determine whether we could drive the NSCs towards neuronal fate by overexpressing the transcription factor Pax6. We found that the cortical and striatal NSCs have similar properties during expansion as neuropsheres. However, upon long-term differentiation in vitro, the cortical and striatal NSCs generated region-specific neuronal subtypes. After transplantation into the neonatal rat striatum, both cortical and striatal NSCs survived well and migrated similar distances, and had the capacity to differentiate into astrocytes, oligodendrocytes and mature neurons. When the NSCs were grafted into the striatum of rats subjected to stroke, both cortical and striatal NSCs survived and migrated to the same extent, and almost exclusively generated neurons outside the graft core. However, the striatal NSCs occupied a larger volume of the striatum and generated a higher proportion of neurons with molecular identity of striatal neurons. Upon overexpression of Pax6, the in vitro generation of neurons increased from the striatal NSCs and with maintained region-specificity. When striatal NSCs overexpressing Pax6 was implanted into the neonatal rat, there was an increased generation of neuroblasts compared to control. Taken together, it is possible to consider cortical and striatal NSCs derived from the human fetus as a safe cell source with a very strong neurogenic capacity as promising candidates for cell replacement therapy. However, before any clinical application of cell replacement therapy can be considered, there are several key points to address; the selection of established and guaranteed safe cell sources with fully controllable differentiation potential, the complete knowledge of disease mechanisms and progression, the optimized number of cells and time for transplantation, and the careful selection of patients with best prognosis to benefit from cell therapy.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stroke är en sjukdom som främst drabbar äldre och är den största anledningen till att människor får olika slags handikapp såsom förlamning och afasi. Det finns ännu ingen effektiv behandling för att lindra symtom och lidande efter en stroke, förutom rehabilitering, och därför kostar stroke samhället enormt mycket pengar. Befolkningen blir allt äldre, vilket även medför att antalet människor som får stroke ökar, därför är det oerhört viktigt, både ur patientens och samhällets synvinkel, att utveckla nya och effektiva behandlingsmetoder. En typ av behandling skulle kunna vara att transplantera nya celler till strokepatienten, för att antingen ersätta de celler som dött på grund av stroken eller påverka de celler som finns i hjärnan. Stamceller från hjärnan är omogna celler som kan föröka sig själva genom delning och ge upphov till olika mogna celltyper i hjärnan. Stamceller går att odla utanför hjärnan i så kallade cellkulturer, eftersom de genom delning kan bli till fler stamceller. När stamcellerna sedan mognar kan de generera nya nervceller. Redan för flera år sedan har själva principen av cell transplantation bevisats fungera i kliniska försök. Celler tagna direkt från aborterade foster transplanterades in i hjärnan på patienter med Parkinsons sjukdom, vilket avsevärt förbättrade patienternas tillstånd. Vi måste nu utveckla säkra och väl karaktäriserade stamcellslinjer som kan fungera som en obegränsad cellreservoar för transplantationer, då användningen av primär fostervävnad är problematisk rent etiskt samt att mängden tillgänglig vävnad är mycket begränsad.



Vid en stroke dör främst nervceller i två regioner av hjärnan, kortex och striatum. Därför genererade vi kortikala och striatala stamcellslinjer, där vävnad initialt togs från aborterade foster. Vi ville undersöka skillnaden mellan kortikala och striatala stamceller som odlats och expanderats under lång tid i cellkulturer. Ett mål var att ta reda på om stamcellerna fortfarande kunde ge upphov till de nervceller som är typiska för respektive region av hjärnan som de ursprungligen kom ifrån. Vi kom fram till att så är fallet – de kortikala och striatala stamcellerna blev kortex- respektive striatumspecifika nervceller. Nästa mål var att transplantera stamcellerna till råtthjärnor, både intakta och strokeskadade, för att utröna vilken påverkan miljön i hjärnan hade på cellerna samt deras kapacitet att överleva, mogna ut och i så fall till vilka typer av celler. Vi fann att både de kortikala och de striatala stamcellerna överlevde, integrerade med värdhjärnan och utvecklades till mogna nervceller. Det tredje målet var att försöka styra stamcellerna till att producera fler nervceller, då antalet nervceller brukar vara tämligen lågt i förhållande till andra typer av celler. Vi modifierade cellerna genetiskt genom att föra in en gen, Pax6, som tidigare, från studier på stamceller från möss, har visats öka antalet nybildade nervceller. Vi kunde visa att Pax6 ökade antalet nervceller som de striatala stamcellerna genererade och att de nya nervcellerna fortfarande var striatumspecifika. Dessutom transplanterade vi de Pax6-överuttryckande stamcellerna till intakt råtthjärna och såg att de även i hjärnan kunde ge upphov till fler neuronala celler jämfört med celler utan överuttryckt Pax6.



De resultat som redovisas in den här avhandlingen gör att vi kan säga att kortikala och striatala neurala stamceller från mänskliga foster är en möjlig reservoar av celler för transplantation. Vidare innehar de en hög kapacitet att kunna generera nervceller, både i odling och efter transplantation till råtthjärna. Innan vi kan använda den här typen av behandling på patienter återstår dock mycket forskning kring cellernas förmåga att funktionellt integrera med redan existerande nervceller i hjärnan, att förstå de sjukdomsmekanismer som äger rum vid stroke, att bestämma vilka patienter som är bäst lämpade för cellterapi och att ta reda på hur många celler som ska placeras var i hjärnan samt när, det vill säga vid vilken tidpunkt efter stroke.

• author: Kallur, Therese
• supervisor: Zaal Kokaia
• opponent: Prof Kempermann, Gerd, CRTD - Center for Regenerative Therapies Dresden, Dresden, Germany
• organization: Neurology, Lund
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: Pax6, fetal cortex and striatum, human, neural stem cells, transplantation, neurospheres, stroke, overexpression, region-specific properties
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2008:70
• pages: 156 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neuroscience Center
• defense date: 2008-06-12 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86059-23-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6bbc0482-0724-4948-a450-783eb2c5fe5b (old id 1150540)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:32:33
• date last changed: 2019-11-19 13:49:04