Universität zu Köln

Minassian, Anuka (2018). Stem Cell Therapy For Stroke. Modulation of structural and functional adjustments after stem cell implantation in a mouse model of cortical stroke. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Stem cell therapy for ischemic stroke is an emerging field in light of an increasing number of patients surviving with permanent disability. Such stem cells entail the potential to differentiate into mature neurons and thus replace dysfunctional tissue or enhance the surviving tissue’s plasticity. There is a strong need for imaging modalities which allow the tracking of neural stem cell differentiation longitudinally and non-invasively in vivo, and thus the monitoring of the therapeutic outcome of stem cell-based approaches. Within this thesis, the fate of engrafted cells was monitored longitudinally in vivo via optical imaging and complemented with immunohistochemistry. Lightsheet Fluorescence Microscopy enabled the evaluation of the graft’s spatial migration while electrophysiology was used to assess the phenotypic electric characteristics of the implanted cells. Cells were engrafted in both naïve and ischemic brains. Resting state fMRI and behavioral testing were used to assess the functional connectivity of the sensorimotor networks and the behavioral outcome, respectively. To investigate the effect of neural stem cell implantation after the event of an ischemic stroke, I first characterized the changes caused by ischemia in the brain and in the functional network using the dMCAO model in mice. Following experimental stroke, mice demonstrated expected sensorimotor dysfunction and changes in the resting state sensorimotor network. Implantation of cells did not improve post stroke behavioral outcome. Moreover, in control animals, I observed changes in functional networks due to the stereotaxic procedure of engraftment and due to the damage caused to the meninges in dMCAO sham occlusion. This illustrates the sensitivity of resting state fMRI to all sort of surgical procedures in the brain. I hypothesize that such damages may have prevented functional and network recovery which has not been previously identified due to the application of different data analysis and the lack of proper control groups. The findings in this thesis represent one of few preclinical studies in resting state fMRI network changes post stroke that apply this technique to evaluate functional outcomes following a potential clinically applicable human neural stem cell treatment for ischemic stroke. It was found that disruption of the network structural architecture e. g. by means of a needle puncture does not necessarily imply a decrease in the connectivity of the non-affected tissue and that injury caused by stereotaxic injection should be taken into account when assessing the effectiveness of treatment.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Stammzelltherapie bei ischämischen Schlaganfällen geniesst zunehmendes Interesse angesichts einer wachsenden Zahl von Patienten, die mit einer dauerhaften Behinderung überleben. Diese Stammzellen bergen das Potenzial, sich in reife Neuronen zu differenzieren und so dysfunktionales Gewebe zu ersetzen oder die Plastizität des überlebenden Gewebes zu verbessern. Es besteht ein großer Bedarf an bildgebenden Verfahren, die es ermöglichen, die Differenzierung neuronaler Stammzellen im Zeitverlauf und nicht-invasiv in vivo zu verfolgen und damit den therapeutischen Erfolg stammzellbasierter Strategien zu verfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Schicksal von transplantierten Zellen in in Longitudinalstudien in vivo mittels optischer Bildgebung beobachtet und durch Immunhistochemie ergänzt. Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie ermöglichte die Charakterisierung der räumlichen Migration des Transplantats und die Elektrophysiologie wurde zur Beurteilung der zelltypischen elektrischen Eigenschaften der implantierten und differenzierten Zellen eingesetzt. Zellen wurden sowohl in naive als auch in ischämische Gehirne transplantiert. Ruhezustand fMRI und Verhaltenstests wurden verwendet, um die funktionelle Konnektivität der sensomotorischen Netzwerke bzw. Verhaltensdefizite und -verbesserungen zu beurteilen. Um den Effekt der neuronalen Stammzellimplantation nach einem ischämischen Schlaganfall zu untersuchen, habe ich zunächst die durch Ischämie verursachten Veränderungen im Gehirn und im funktionellen Netzwerk mit dem dMCAO-Modell bei Mäusen charakterisiert. Nach einem experimentellen Schlaganfall zeigten Mäuse die erwartete sensorimotorische Dysfunktion und Veränderungen im Ruhezustand des sensorimotorischen Netzwerks. Die Implantation von Zellen hat das Verhaltensrgebnis nach einem Schlaganfall nicht verbessert. Darüber hinaus beobachtete ich bei Kontrolltieren Veränderungen in funktionellen Netzwerken nach stereotaktischer Transplantation und durch die Schädigung der Hirnhäute bei dMCAO Operation ohne tatsächlichen Gefäßverschluss. Dies demonstriert die Empfindlichkeit der Resting State fMRI für funktionelle Netzwerkveränderungen nach verschiedenen chirurgischen Eingriffen im Gehirn. Ich schließe daraus, dass solche chirurgischen Eingriffe allein bereits eine Funktions- und Netzwerkwiederherstellung verhindern, die aufgrund der Anwendung unterschiedlicher Datenanalysen und des Fehlens geeigneter Kontrollgruppen bisher nicht identifiziert wurde. Die Ergebnisse in dieser Arbeit stellen eine der wenigen präklinischen Studien dar zu Änderungen des funktionellen Netzwerks nach Schlaganfall, die die Technik des resting state fMRI anwenden, um funktionelle Ergebnisse nach einer möglichen klinisch anwendbaren Behandlung mit humanen neuronalen Stammzellen für ischämischen Schlaganfall zu bewerten. Ich habe in meinen Untersuchungen gefunden, dass eine Störung der Netzwerkstrukturarchitektur, z. B. Durch eine Nadelpunktion, nicht unbedingt eine Verringerung der Konnektivität des nicht betroffenen Gewebes bedeutet und dass Verletzungen durch stereotaktische Injektion bei der Beurteilung des Behandlungserfolgs berücksichtigt werden müssen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Minassian, Anuka UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-102271
Date:	1 October 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Metabolism Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language stem cell English resting state MRI English cortical stroke English
Date of oral exam:	21 November 2018
Referee:	Name Academic Title Kloppenburg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10227