The Role of Microglia in the transplantation of GDFN-expressing stem cells in a rat Parkinson model

Einleitung: Das Parkinson-Syndrom ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen und es wird geschätzt, dass sich die Anzahl der Patientinnen und Patienten in den nächsten 20 Jahren weltweit verdoppeln wird. Bisherige Therapien fokussieren sich vor allem auf die Linderung der auftretenden Symptome. Die Transplantation von mesenchymalen Stammzellen aus Fettgewebe (ASC), ebenso wie der Botenstoff glial cell-derived neurotophic factor GDNF, haben im Tiermodell bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Die Kombination dieser beiden Therapieansätze könnte ein neues Konzept für die Regeneration dopaminerger Neurone darstellen, deren Schädigung bei der Entstehung des Parkinson-Syndroms eine wesentliche Rolle spielt. Der Einfluss von vermehrt GDNF sekretierenden ASC auf das Immunsystem sowie insbesondere die Mikroglia ist bislang kaum erforscht und soll in dieser Arbeit am 6-OHDA (6-Hydroxydopamin) Modell der Ratte untersucht werden. Methoden: Männliche Wistar Ratten erhielten eine einseitige intrastriatale Injektion von 6-OHDA und eine gleichzeitige Transplantation von naiven ASC oder ASC, die GDNF vermehrt exprimieren (GDNF-ASC). Als Kontrollgruppen dienten Tiere, die eine Injektion mit 6-OHDA, jedoch nur eine Vektortransplantation erhielten und Tiere, die eine Scheinläsion und eine Vektortransplantation erhielten. Die Population der Mikroglia im Striatum wurde nach 4 Tagen, 4 Wochen und 6 Monaten mittels Iba1-DAB (ionized calcium-binding adapter molecule 1-3,3′-Diaminobenzidin) Färbung ermittelt und mit der naiven Hemisphäre verglichen. Ergebnisse: Die Mikrogliapopulation nahm in allen Gruppen mit der Zeit ab. Die Tiere, die GDNF exprimierende Zellen erhielten hatten zu allen Zeitpunkten die höchste Mikrogliapopulation. Der Unterschied zu den Tieren, die naive Stammzellen erhielten war nach 4 Tagen und 6 Monaten signifikant, nicht jedoch nach 4 Wochen. Zusätzlich zu der Anzahl der Mikroglia waren auch vermehrt aktivierte Mikroglia bei den Transplantationstieren und insbesondere bei den GDNF-ASC-Tieren nachweisbar. Schlussfolgerung: Die Transplantation von ASC führte zu einer anhaltenden Inflammationsreaktion im Striatum, die jedoch kontinuierlich abnahm. Dieser Effekt wurde durch die Sekretion von GDNF durch die transplantierten Zellen noch verstärkt. Auch wenn die Rekrutierung von Mikroglia nach sechs Monaten nur geringfügig erhöht war, weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass GDNF über die Modulation von Mikroglia anhaltende inflammatorische und somit potenziell schädliche Effekte haben kann. Dies könnte über die unterschiedliche Aktivierung des ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinase 1/2) und des PI3K/AKT (Phosphatidylinositol-3-kinase/ Proteinkinase B) Signalweges bedingt sein. Weitere Forschung zur besseren Differenzierung der funktionellen Eigenschaften in vivo der hier rekrutierten Mikroglia ist daher nötig, um die von ihnen hervorgerufenen Effekte näher zu untersuchen und ihre potenziellen therapeutischen oder schädigenden Einflüsse zu verstehen.Objective: Parkinson’s Disease is one of the most common neurodegenerative disorders and it is estimated that the number of worldwide patients will be doubling in the upcoming years. Nonetheless, there is a lack of disease modulating therapies. The transplantation of fat tissue derived mesenchymal stem cells (ASC) as well as the glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF) have shown promising results in animal studies. The combination of these two strategies might provide a new concept to target the regeneration of dopaminergic neurons. However, the influence of these gene modified stem cells on the immune system and specifically on the microglia population has not been investigated before and will be addressed in this study with a 6-OHDA dopamine depletion model. Methods: Male Wistar rats received a unilateral intrastriatal injection of 6-OHDA and transplantation of naïve ASC or ASC overexpressing GDNF. Animals receiving either 6-OHDA injection and sham transplantation or sham lesion served as control animals. The microglia population was identified through Iba1-DAB staining of the caudoputamen at 4 days, 4 weeks or 6 months post lesion. Results: The microglia population declined in all groups over time. The animals receiving GDNF overexpressing ASC had the highest number of microglia at each timepoint. The difference to the animals receiving naïve ASC was significant after 4 days and 6 months, but not after 4 weeks. In addition to the higher number of microglia there were also more activated microglia, characterized by a rounded cell soma with shorter and fewer dendrites, present at the transplantation site in both the transplantation groups. This was even more predominant in the GDNF overexpressing group. Conclusion: This study showed an ongoing inflammatory reaction in the caudoputamen after the transplantation of ASC. An effect that was amplified by the secretion of GDNF of the transplanted cells. Even though the recruitment of microglia in the long-term was only raised marginally these results show that GDNF might have potential deleterious effects through the modulation of the striatal microglia response. This might be due to differential activation of the ERK1/2-and the PI3K/AKT-signalling pathways. However, further research is needed to better define the functional properties of the recruited microglia in vivo and to better understand their potential therapeutical or damaging effects in this regenerative approach.