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Einleitung: Als Folge eines Schädel-Hirn-Traumas (SHT) kann es zum Verlust einer Reihe zerebraler Zelltypen (Neuronen, Astrozyten, Oligodendrozyten) kommen. Der Verlust dieser Zellen wird in Abhängigkeit des Ortes und der Größe der Läsion mit kognitiven und motorischen Behinderungen assoziiert. Durch die Implantation undifferenzierter embryonaler Stammzellen in das verletzte Gehirnareal sollen zerstörten Zellen ersetzt werden und entsprechende Funktionsverbesserungen erzielt werden. Eine Verbesserung der kognitiven und motorischen Funktionen setzt die funktionale Integration und Differenzierung der implantierten Zellen voraus. In unserem Versuchsansatz wurde neben den Überlebens- und Differenzierungseigenschaften undifferenzierter, embryonaler Stammzellen nach Transplantation in traumatisch geschädigtes ZNS, auch das Potential dieser Zellen sensomotorische und kognitive Funktionen zu verbessern detailliert untersucht. Parallel wurde in in vitro Studien die beobachteten Effekte analysiert und verifiziert.

Material und Methoden: Männliche Sprague-Dawley Ratten wurden einem SHT mittels „Fluid-Percussion“ (FP, 2.3 atm (1)) unterzogen. 72 Stunden danach erhielten die verletzten Tiere 1x10⁸ Stammzellen (1.0ml Zellsuspension, n=8). Die Vergleichsgruppe (Placebo) erhielt 1.0ml Trägerlösung PBS (n=3) mittels stereotaktischer Injektion in den verletzten Kortex (AP:-3.6/ ML:5.5/ DV:-3.2 von bregma). Zudem erhielten alle Tiere über einen Zeitraum von 14 Tage, tägliche Injektionen von 10 mg/Kg CsA. Funktionsprüfungen erfolgten vor der Transplantation sowie nach 1,3 und 6 Wochen danach, mittels Rotarod Test, Composite Neuroscore und Sticky Paper Test (2). 5 Tage und 6 Wochen nach Transplantation wurden die Tiere für die histologische Aufarbeitung perfundiert. Zur Transplantation wurden murine, emryonale Stammzellen, die GFP (Green-Fuoresic-Protein) unter der Kontrolle des Aktinpromotors exprimieren (3) eingesetzt. Das Überleben der Zelltransplantate wurde durch direkte Fluoreszenzmikroskopie und durch immunhistochemische Antikörperfärbungen gegen GFAP untersucht. Die undifferenzierten embryonalen Zellen wurden parallel in vitro mit Gewebextrakt verletzter und gesunder Gehirne versetzt. Die zeitabhängige Sekretion neurotropher Faktoren und das Differenzierungsverhalten der Zellen wurden über einen Zeitraum von 10 Tagen beobachtet.

Ergebnisse: Nach 5 Tagen waren die Stammzellen in Clusterform sowohl in der gesunden Hemisphäre als auch in der geschädigten Hemisphäre nachweisbar. Die Stammzellcluster waren zu diesem Zeitpunkt von aktivierten Makrophagen eingeschlossen. Eine Phagozytose der Stammzellen durch Makrophagen konnte immunohistochemisch nachgewiesen werden. Nach 6 Wochen waren die Zellen nur noch vereinzelt nachweisbar. Differenzierte Stammzellen konnten nicht detektiert werden. In zwei Tieren entwickelten sich Teratokarzinome. Die Stammzelltransplantation führte bereits nach fünf Tagen zu einer signifikanten Verbesserung der sensomotorischen und kognitiven Funktionen. Die im Vergleich zu den Sham Kontrollen beobachteten signifikanten Funktionsverbesserungen im Rotarod Test und Composite Neuroscore nach Stammzelltransplantation konnten über einen Zeitraum von 6 Wochen nachgewiesen werden.Die Funktionsverbesserungen sind möglicherweise auf die Sekretion neurotropher Faktoren zurückzuführen. In vitro konnte eine zeit-abhängige Freisetzung von BDNF und NT-3 aus differenzierenden embryonalen Stammzellen beobachtet werden. Die BDNF Sekretion wurde nach Konditionierung der Zellen mit Gewebeextrakt aus traumatisierten oder gesunden Rattenhirne signifikant erhöht. Die Konditionierung der embryonalen Stammzellen mit Hirnextrakt traumatisierter Ratten resultierte in der neuronalen Differenzierung der Stammzellen. Morphologisch konnten bereits nach drei Tagen Stimulation mit Hirnextrakt traumatisierter Ratten axonale Fortsätze im Lichtmikroskop nachgewiesen werden. Die Differenzierung der Stammzellen zu Neuronen wurde durch eine spezifische Markierung der Zellen mit NeuN Antikörpern verifiziert.

Schlussfolgerung: Die Integration und Differenzierung undifferenzierter embryonaler Stammzellen im zerebralen Gewebe scheint durch eine starke Trauma-assoziierte inflammatorische Reaktion inhibiert zu werden. Unsere Ergebnisse weisen daraufhin, dass ein großer Teil der Stammzellen durch aktivierte Makrophagen zerstört werden. Die beobachteten Funktionsverbesserungen, die bereits nach fünf Tagen zu signifikanten Unterschieden führen, scheinen auf die Stammzell-bedingte Freisetzung von neurotrophen Faktoren (BDNF, NT-3) zurückzuführen zu sein. Diese Beobachtungen erklären auch Ergebnisse andere Studien, in denen signifikante Funktionsverbesserungen beschrieben wurden, obwohl die Zahl integrierter und differenzierter Stammzellen gering war.