Η χρήση του ινσουλινοειδούς αυξητικού παράγοντα-1 (IGF-1) σε κυτταρικές θεραπείες αποκατάστασης βλαβών του νευρικού συστήματος

Abstract

Strategies to enhance neural stem/precursor cell (NPC) capacity to yield multipotential, proliferative and migrating pools of cells that can efficiently differentiate into neurons could be crucial for structural repair after neurodegenerative damage. Here we have generated a lentiviral vector for expression of insulin-like growth factor-1 (IGF-1) and investigated the impact of IGF-1 transduction on the properties of cultured NPCs (IGF-1-NPCs). Under proliferative conditions, IGF-1 transduction promoted cell cycle progression via cyclin D1 upregulation and Akt phosphorylation. Remarkably upon differentiation-inducing conditions, IGF-1-NPCs cease to proliferate and differentiate to a greater extent into neurons with significantly longer neurites, at the expense of astrocytes. Moreover, using live imaging we provide evidence that IGF-1 transduction enhances the motility and tissue penetration of grafted NPCs in cultured cortical slices. Stem-cell based therapies have been proposed in recent years as a potential treatment for neurodegenerative disorders. Transduced IGF-1-NPCs or control NPCs were used in transplantation experiments in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Kainic acid (KA) was stereotactically injected into the hippocampal region of male mice, followed by NPC transplantation. Analysis of the transplanted cells revealed that NPCs migrated into the site of the KA-induced lesion and differentiated mostly into cells with a neuronal phenotype. Moreover, NPC transplantation restored memory deficits in KA-injected mice, as determined using the Morris water maze.These results illustrate the important consequence of IGF-1 transduction in regulating NPC properties and offer a potential strategy to enhance the prospective repair potential of NPCs. Taking into consideration that viral vector-mediated delivery of IGF-1 in the CNS has been previously shown to be beneficial in animal models of neurodegeneration, additional studies using in vitro and in vivo animal models of neurodegeneration are needed to determine if the combinatorial strategy reported here with ex vivo transduced NPCs could lead to the development of new efficient therapeutic approaches with the use of IGF-1.

Η ανάπτυξη μεθόδων για την ενίσχυση του δυναμικού των νευρικών βλαστοκυττάρων (ΝΒΚ) να παράγουν πολυδύναμα μιτωτικά κύτταρα με αυξημένη μεταναστευτική δυνατότητα και ικανότητα να διαφοροποιούνται αποτελεσματικά σε νευρώνες, είναι σημαντική για την αντιμετώπιση νευροεκφυλιστικών βλαβών. Στην παρούσα εργασία κατασκευάστηκε λεντι-ιικός φορέας για την έκφραση του ινσουλινοειδούς αυξητικού παράγοντα-1 (insulin-like growth factor-1, IGF-1) και μελετήθηκε η επίδραση του IGF-1 στις ιδιότητες των μετασχηματισμένων νευρικών βλαστοκυττάρων (IGF-1-ΝΒΚ) in vitro. Σε συνθήκες πολλαπλασιασμού, η έκφραση του IGF-1 είχε ως συνέπεια την αύξηση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού λόγω μείωσης της διάρκειας της φάσης G1 του κυτταρικού κύκλου. Παρατηρήθηκε επίσης αύξηση των επιπέδων της κυκλίνης D1 που ρυθμίζει τη μετάβαση στο σημείο G1/S, καθώς και αύξηση της φωσφορυλίωσης της κινάσης Akt, η οποία συνδέεται επίσης με την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου. Αντίθετα, σε συνθήκες διαφοροποίησης, παρατηρήθηκε ότι τα IGF-1-ΝΒΚ παύουν να πολλαπλασιάζονται και διαφοροποιούνται σε μεγαλύτερο ποσοστό σε νευρώνες με σημαντικά πιο επιμηκυμένους νευρίτες, ενώ η διαφοροποίησή τους σε αστροκύτταρα πραγματοποιείται σε μικρότερο ποσοστό σε σύγκριση με τα ΝΒΚ-μάρτυρες. Επιπλέον, η παρατήρηση ζωντανών καλλιεργειών τομών εγκεφαλικού φλοιού, στις οποίες έγινε έγχυση μετασχηματισμένων για την έκφραση του IGF-1 ή μη ΝΒΚ, έδειξε ότι τα IGF-1-ΝΒΚ παρουσιάζουν ενισχυμένη κινητικότητα, καθώς και αυξημένη ικανότητα διείσδυσης στο νευρικό ιστό. Η μεταμόσχευση των βλαστοκυττάρων είναι μία πιθανή στρατηγική για τη θεραπεία διαταραχών του ΚΝΣ. Τα μετασχηματισμένα για την έκφραση του IGF-1 ή μη μετασχηματισμένα ΝΒΚ χρησιμοποιήθηκαν σε πειράματα μεταμόσχευσης σε ένα ζωικό μοντέλο μελέτης της επιληψίας του κροταφικού λοβού. Η μελέτη της τύχης των μεταμοσχευμένων κυττάρων έδειξε ότι τα κύτταρα μετανάστευσαν προς την περιοχή της καταστροφής και διαφοροποιήθηκαν κυρίως προς το νευρωνικό φαινότυπο. Επιπλέον, η μεταμόσχευση των ΝΒΚ είχε ως αποτέλεσμα την αποκατάσταση των ελλειμμάτων μνήμης που είχαν προκληθεί λόγω χορήγησης του καϊνικού οξέος. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αποκαλύπτουν το σημαντικό ρόλο που παίζει ο IGF-1 στη ρύθμιση των ιδιοτήτων των ΝΒΚ και επομένως, η έκφρασή του στα ΝΒΚ μέσω ιικής γονιδιακής μεταφοράς ενδέχεται να ενισχύσει το δυναμικό των κυττάρων αυτών για επιδιόρθωση του νευρικού συστήματος μετά από νευροεκφυλιστική βλάβη. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μεταφορά του IGF-1 στο ΚΝΣ με τη βοήθεια ιικών φορέων έχει αποδειχθεί ευεργετική σε ζωικά μοντέλα νευροεκφυλιστικών ασθενειών σε προηγούμενες έρευνες, επιπρόσθετες μελέτες με in vitro και in vivo ζωικά μοντέλα είναι απαραίτητες για να επιβεβαιωθεί αν η συνδυαστική στρατηγική που περιγράφεται στην εργασία αυτή με τη χρήση ex vivo μετασχηματισμένων ΝΒΚ, μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων αποτελεσματικών θεραπευτικών προσεγγίσεων με τη χρήση του IGF-1.