Transplantation of Mouse Embryonic Stem Cell-Derived Dopaminergic Neurons in a Unilateral 6-Hydroxydopamine Lesion Rat Model of Parkinson’s Disease
Characterisation of the Fate of the Engrafted Cells and the Host Responses
Transplantation von Differenzierten embryonalen Stammzellen der Maus in ein experimentellen – 6-Hydroxydopamin-Läsion – Rattenmodell der Parkinson-Erkrankung.
by Hycianth Keneuoe Thinyane
Date of Examination:2004-11-04
Date of issue:2004-11-30
Advisor:Prof. Dr. Walter Paulus
Referee:Prof. Dr Eberhard Fuchs
Referee:Prof. Dr. Friedrich-Wilhelm Schürmann
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-540
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Embryonic stem (ES) cells are a promising option for cell replacement therapy in Parkinson's disease. Undifferentiated mouse ES cells differentiate into functional dopaminergic neurons after grafting in hemiparkinsonian rats but induce the formation of tumours. The aim of this thesis was to study the anatomical and functional integration of pre-differentiated mouse embryonic stem cells transplanted in adult rats with 6-hydroxydopamine-induced hemiparkinsonism. Mouse ES cells were differentiated on a PA6-feeder for 14 days, labelled with PKH26 and implanted intrastriatally in hemiparkinsonian adult rats with or without adjunctive cyclosporine A immunosuppression. PKH26 fluorescence was detected in all graft recipients up to five weeks post-grafting. Graft-derived dopaminergic neurons survived transplantation and alleviated amphetamine-induced rotation (in non-immunosuppressed animals). Cyclosporine-A immunosuppression enhanced the survival of the grafted dopaminergic neurons but was associated with several adverse side effects including impaired motor function, an increased risk of tumour formation and increased morbidity. Cytomorphological analyses revealed that a significant proportion of the surviving dopaminergic neurons lost neurites between one and five weeks post-grafting. There was no indication of a direct relationship between transplant vascularisation and the viability of graft-derived dopaminergic neurons. The number of striatal D1 receptor binding sites was not altered by denervation and/or the grafting of dopamine-producing cells. In contrast, denervation induced a loss of dopamine transporter binding in the ipsilateral striatum. This loss was not reversed by pre-differentiated mouse embryonic stem cell grafts at five weeks post grafting. In conclusion, these results demonstrate the potential of pre-differentiated embryonic stem cells for generating functional dopaminergic neurons for transplantation in Parkinson's disease. In order to optimise this therapeutic approach, novel strategies should be developed to direct efficient differentiation of embryonic stem cells and to promote the survival and integration of ES cell-derived dopaminergic neurons after transplantation in host brains.
Keywords: Parkinson’s disease; embryonic stem cells; 6-hydroxydopamine; transplantation; rat model.
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Embryonale Stammzellen (ES Zellen) sind eine vielversprechende Möglichkeit für Zellenerzatztherapie der Parkinson-Erkrankung. Undifferenzierte ES Zellen der Maus differenzieren sich zu funktionellen dopaminergen Neuronen nach der Transplantation in ein experimentellen Rattenmodell der Parkinson-Erkrankung aus, verursachen aber die Ausbildung von Tumoren. Ziel dieser Arbeit war es, die anatomische und funktionelle Integration von differenzierten ES Zellen der Maus in 6-Hydroxydopamin läsionierten Rattengehirnen zu untersuchen. Embryonale Stammzellen der Maus wurden 14 Tage mit PA6-Zellen ko-kultiviert, mit PKH26 markiert und anschließend in 6-Hydroxydopamin läsionierte, mit- oder ohne Cyclosporin A behandelte Ratten transplantiert. Die transplantierten Zellen konnten an ihrer PKH26 Fluoreszenz in allen Empfängergehirnen von ES Zellen bis zu 5 Wochen nach der Transplantation nachgewiesen werden. Die aus den ES Zellen der Maus entstandenen dopaminergen Neuronen überlebten die Transplantation und führten zu einer Verbesserung beim Amphetamin-induzierten Rotationsverhalten. Immunsuppression mit Cyclosporin A verbessert zwar das Überleben der dopaminergen Neuronen, war aber mit einigen Nebenwirkungen einschließlich verschlechterter Motorfunktion und ein erhöhtes Risiko von Tumorausbildung und erhöhte Morbidität verbunden. Morphologische Analysen konnten zeigen dass zwischen ein und 5 Wochen nach der Transplantation ein signifikanter Anteil der dopaminergen Neuronen Fasern verloren. Es konnte kein direktes Verhältnis zwischen der Vaskularisierung von Transplantaten und dem Überleben und der Entwicklung der dopaminergen Neuronen nachgewiesen werden. Die Anzahl der Dopamin-1 Rezeptoren im Striatum wurde durch die 6-Hydroxydopamin Läsion und/oder die Transplantation von Dopamin-produzierenden Zellen nicht beeinflusst. Bei denselben Ratten wiesen Autoradiographie-Experimente einen deutlichen Verlust der Dopamintransporter Bindung im läsionierten Striatum nach. Dieser Verlust wurde durch die Transplantation von differenzierten ES Zellen nicht aufgehoben. Diese Ergebnisse zeigen dass differenzierte ES Zellen das Potential besitzen funktionielle dopaminerge Neurone zu bilden. Um diesen therapeutische Ansatz zu optimieren, sollten neue Strategien für effizientere Differenzierung von ES Zellen entwickelt werden. Des weitern sollte das Überleben und die Integration von aus ES Zellen entstandenen dopaminergen Neuronen in Empfängergehirnen verbessert werden.
Schlagwörter: Parkinson; embryonale Stammzellen; 6-Hdroxydopamin; Transplantation; Rattenmodell.
