Dokument: Axonal Regeneration, Reconnection, and Functional Recovery following a Complete Spinal Cord Transection in Adult Rats and a Combinatorial Treatment of Stem Cell Transplantation and a Mechanical Microconnector System

Titel:	Axonal Regeneration, Reconnection, and Functional Recovery following a Complete Spinal Cord Transection in Adult Rats and a Combinatorial Treatment of Stem Cell Transplantation and a Mechanical Microconnector System
Weiterer Titel:	Axonale Regeneration, Rekonnektion und funktionale Erholung nach einer Totaletransektion des Rückenmarks in adulten Ratten und einer Kombinationstherapie mit Stammzelltransplantation und eines mechanischen Mikrokonnektorsystems
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=49934
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190619-100901-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M.Sc. Illgen, Jennifer [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,97 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 17.06.2019 / geändert 17.06.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Müller, Hans Werner [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Stichwörter:	Spinal Cord Injury, Combinatorial Treatment, mMS, Stem Cells, Complete Transection
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Eine Schädigung des Rückenmarks führt meist zu einer permanenten Lähmung. Der Grund dafür ist die Limitation der spontanen Axonregeneration, die durch die Bildung der Glianarbe und einer erhöhten Freisetzung inhibitorischer Moleküle an der Läsionsstelle vermindert wird. Diese multifaktorielle und multiphasische Pathophysiologie der Rückenmarksschädigung und die Tatsache, dass es bisher keinen therapeutischen Ansatz gibt, der eine langanhaltende Verbesserung hervorruft, führt zu der Annahme, dass eine Kombination verschiedener Therapien erforderlich ist, um eine effektive Wirkung zu zeigen. In einer vorherigen Studie unseres Labors wurde, nach einer Totaltransektion (TX) des Rückenmarks, ein mechanisches Mikrokonnektorsystem (mMS), das in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg und der BG Trauma-Klinik in Hamburg entwickelt wurde, in die Läsionsstelle implantiert. Diese Implantation führte zur Wiederherstellung der Gewebekontinuität und zusätzlich zu einer Verhaltensverbesserung. Des Weiteren zeigte eine andere Studie unserer Arbeitsgruppe, dass die Transplantation von somatischen Stammzellen aus dem Nabelschnurrestblut, sogenannte „unrestricted somatic stem cells“ (USSC), die Anzahl regenerierter Axone erhöht und das lokomotorische Verhalten konstant verbessert. Aufgrund dieser Studien, ist die Zielsetzung dieser Arbeit, die Kombination der zwei Einzeltherapien in einem Nagetiermodell zur Untersuchung der Wirkung auf die Axonregeneration, die Beteiligung von propriospinalen Interneuronen, die synaptische Rekonnektivität sowie die daraus folgende funktionelle Erholung. Um die Hypothese, dass die Kombinationstherapie der individuellen Behandlungen überlegen ist, zu verifizieren und die damit einhergehende Regeneration und synaptischen Rekonnektivität vertieft zu analysieren, wurde eine komplette Durchtrennung (Totaltransektion, Tx) auf Höhe des thorakalen Segments 8/9 (Th8/9) in immunsupprimierten Ratten ausgeführt. Sowohl eine Kurzzeit- (5 Wochen) als auch eine Langzeitstudie (21 Wochen) wurden mit einer Tieranzahl von n = 16 und n = 40 entsprechend durchgeführt. Unmittelbar nach der Totaltransektion des Rückenmarks wurden die 4 verschiedenen Behandlungen angewandt: (1) Kombinationstherapie (mMS + USSC), (2) mMS, (3) USSC und (4) Kontrolle (TX only). Zur Analyse des Gewebeerhalts, der Gefäßneubildung und der Axonregeneration nach Rückenmarksverletzung wurden immunhistologische Färbungen in den Kurz- und Langzeittieren durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Regeneration von propriospinalen Interneuronen (PN), durch eine retrograde Markierung, das Axonwachstum des kortikospinalen Trakts (CST), durch eine anterograde Markierung, und die Synapsenbildung nach 21 Wochen durch immunhistologische Färbungen untersucht. Zusätzlich wurde die funktionale Erholung der Hinterbeine mit Hilfe eines Offenfeldtests unter der Einbeziehung einer modifizierten Basso, Beattie, und Bresnahan lokomotorischen Skala (mBBB) wöchentlich ausgewertet. Sowohl in der Kurzzeit- als auch der Langzeitstudie konnte durch immunhistologische Färbungen die in einer vorangegangenen Studie gesehene Migration der USSC in das Läsionsareal, sowie das mMS Lumen bestätigt werden. Zum ersten Mal konnte die Rekonnektivität regenerierter Axone mit Zielneuronen kaudal zur Läsion gezeigt werden. Eine Reduktion der Zysten und eine Zunahme der Axonregeneration konnte ebenfalls in kombinationsbehandelten Tieren beobachtet werden. Die Bildung zahlreicher Blutgefäße im Läsionsareal, sowie eine signifikante Verbesserung der lokomotorischen Funktion wurden in Tieren mit Implantation des mechanischen Mikrokonnektorsystems nach 21 Wochen beobachtet. Die Kombination der individuellen Behandlungen (mMS, USSC) resultierte in einem erhöhten Axonwachstum, welches den jeweiligen Einzeltherapien überlegen war. Die langanhaltende Erholung der Lokomotion nach der Kombinationstherapie einer schwerwiegenden Rückenmarksverletzung zeigte sich nur im Vergleich zur USSC Behandlung, sowie zur Kontrolle, überlegen. Die Ergebnisse dieser Kombinationsbehandlung nach Rückenmarksverletzung bieten einen neuen, therapeutischen Ansatz, welcher den Fortschritt zur Lösung einer Behandlungsstrategie weiter voranbringen kann. Spinal cord injuries (SCI) mostly lead to permanent paralysis. This is due to the limitations of spontaneous axon regeneration in the CNS caused by the formation of a glial scar and the increased secretion of inhibitory molecules at the lesion site. This multifactorial and multiphasic pathophysiology of SCI and the fact that there is no therapeutic approach that shows a long-lasting improvement leads to the assumption that a combination of various therapies are necessary to show effective outcomes. A previous study in our lab has shown that an implantation of a mechanical microconnector system (mMS), developed in collaboration with the University of Technology Hamburg-Harburg and the BG Trauma Hospital Hamburg, into the lesion site following a complete transection restored the tissue continuity and improved the behavioural outcome. Furthermore, another study from our lab demonstrated that transplantation of somatic stem cells from umbilical cord blood, so called unrestricted somatic stem cells (USSC), enhanced the number of regenerated axons and led to a constant behavioural improvement. Based on these studies, the aim of the present investigation is the combinatorial treatment of the before mentioned individual strategies in a rodent model to analyse the effect on axon regeneration, involvement of propriospinal interneurons, synaptic reconnection as well as functional improvement after SCI. To verify the hypothesis that the combinatorial therapy is superior to the individual treatments and to further analyse the accompanied regeneration and synaptic reconnection a complete transection (TX) at the thoracic level 8/9 (Th8/9) in immunosuppressed rats was performed. A short-term study, comprised of 5 weeks, and a long-term study, comprised of 21 weeks, was performed with animal numbers of n = 16 and n = 40, respectively. Immediately after SCI, the four different treatments were applied: (1) combination therapy (mMS + USSC), (2) mMS, (3) USSC, and (4) control (TX only). Immunohistochemical stainings were performed to investigate tissue preservation, angiogenesis, and axonal regeneration in the short- and long-term study. Furthermore, regeneration of propriospinal neurons (PN) via retrograde labelling, corticospinal tract (CST) axon regrowth via anterograde (AAV) tracing, and synapse formation were examined in long-term animals with the help of immunohistochemical stainings. Additionally, hind limb function was evaluated weekly in an open field test using a modified Brasso, Beattie, and Bresnahan Locomotor Score (mBBB). The immunohistochemical stainings revealed migrated USSC in the lesion area and the mMS lumen. Furthermore, synaptic reconnections of regenerated axons to neurons caudal to the lesion were observed for the first time. A decrease of cyst cavities and an increase in axonal regeneration was found in combinatorial treated animals. Both of these results were detected in the short- and long-term study. The formation of numerous blood vessels in the lesion area as well as a significant improvement of the locomotor performance in mMS treated animals was observed after 21 weeks. The combination of the individual therapies (mMS, USSC) resulted in an increase in axonal regrowth, which was superior to the single treatments. The long-lasting functional improvement in the combinatorial therapy following a severe spinal cord injury only showed a superior outcome compared to the USSC and control treatment. In conclusion, the results of this combinatorial treatment in spinal cord injuries offer a new therapeutic approach, which can further advance the solution for a treatment strategy.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	19.06.2019
Dateien geändert am:	19.06.2019
Promotionsantrag am:	19.03.2019
Datum der Promotion:	28.05.2019