Effects of human mesenchymal stem cell transplantation combined with polymer on functional recovery following spinal cord hemisection

Abstract

[한글]척수손상(spinal cord injury)이란 척수에 가해진 외상으로 인해 정상적인 운동, 감각 및 자율신경 기능에 이상이 생긴 상태를 말한다. 중추신경에 손상이 생기면, 손상된 신경의 자발적인 재생은 제한적이다. 세포이식은 척수손상을 치료하기 위한 매우 효과적인 방법으로 여겨지고 있다. 지난 몇 년간 척수손상 동물모델에서 다양한 세포의 이식을 이용하여 신경의 재생에 관한 많은 연구가 수행되었다. 최근, 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell)의 이식이 신경재생을 증가시키고, 윤리적 문제를 피할 수 있는 잠재적인 접근법으로 여겨지고 있다. 척수손상은 병리학적 관점에서 매우 복잡하다. 따라서 척수손상의 치료는 다양한 방향에서의 접근이 필요하다. 최근에 척수손상으로 부터의 회복을 위해 생합성 중합체(polymer)의 응용이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 중합체를 이용한 인간 중간엽 줄기세포의 이식이 척수 반절단 손상 후 기능 회복에 미치는 영향을 알아보기 위해 중합체와 인간 중간엽 줄기세포를 척수 반절단 동물모델에 이식한 후 행동검사(BBB test, pain test), 전기생리학적 검사, 면역조직학적 검사를 실시하여 기능 회복에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.실험동물은 Sprague-Dawley종 수컷 흰쥐를 사용하였다. Pentobarbital로 마취한 후 제 10-11 흉추에서 척추후궁절제술을 실시하고, 척수를 반절단하여 척수 반절단 모델을 만들었다. 동물모델은 반절단만을 시행한 그룹과 반절단 후 중합체를 이식한 그룹 그리고 중합체와 중간엽 줄기세포를 이식한 그룹으로 나누었다. 이식 후 8주 동안 운동과 감각기능의 회복정도를 행동검사를 통해 확인하고, 손상된 신경의 전도성 회복은 전기생리학적 방법을 통해 확인하였다. 또한 이식된 세포의 생존과 분화를 조직검사를 통하여 관찰하였다.BBB검사 결과 반절단 후 중합체와 세포를 이식한 실험군이 이식 후 5주후부터 반절단만을 시행한 대조군과 비교하여 BBB점수가 유의미하게 향상되었다. 또한 통증검사 결과 반절단만 시행한 대조군과 중합체와 세포를 이식한 실험군을 비교하여 이식 후 5, 8주에서 paw withdrawal threshold수치가 유의미하게 증가되었다. 전기생리학적 검사에서 체성감각유발전위 (SSEP)는 세포를 이식한 그룹에서 전도성이 빨라지는 경향성을 보였지만 차이는 없었다. 그러나 운동유발전위(MEP)에서는 전도성의 차이를 확인할 수 없었다. 또한 조직검사에서는 이식한 세포의 생존과 분화를 알아보기 위해 β-gal 항체를 이용하여 면역염색을 실시하였고, β-gal 양성인 세포가 이식된 부위와 이식부위의 주변부에서 관찰되었다. Double 면역염색에서는 이식한 세포가 다양한 신경세포로 분화됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과들은 중합체를 이용한 중간엽 줄기세포 이식이 기능 회복과 축삭의 재생에 중요한 역할을 할 것으로 보이고, 척수손상의 치료에 있어서 효과적인 치료전략이 될 수 있을 것으로 생각된다.

[영문]Spinal cord injury (SCI) results in loss of motor and sensory function. Following injury to central nervous tissues, spontaneous axon regeneration of damaged neurons is restrictive. Cell transplantation is considered to be the most effective way to repair SCI. Over the past few years, many attempts have been made in animals to produce cellular regeneration in the spinal cord using transplantation of different cell types. Recently, transplantation of mesenchymal stem cells (MSCs) has been considered as a potential approach for enhancing nerve regeneration, avoiding ethical problems. As SCI is a complex pathological entity, the treatment of SCI requires a multipronged approach. Application of biosynthetic polymer for spinal cord repair has recently been reported. The purpose of the present study was to investigate the functional recovery and the therapeutic potential of human MSCs (hMSCs) and polymer when they transplanted into the spinal cord hemisection injury.Adult male Sprague-Dawley rats were subjected to a hemisection at thoracic spinal cord level (T11) and then divided into three groups. Two groups of rats underwent partial thoracic hemisection injury followed by implantation of either polymer only or polymer with hMSCs. The hemisection group received no treatment. Behavioral (motor and pain test), electrophysiological (MEP: motor evoked potential, SSEP: somatosensory evoked potential), and immunohistochemical studies were performed to observe the improvement of functional recovery.The BBB locomotion scores were showed significant improvement in polymer with hMSC-transplanted group compared with hemisection only group since 5 weeks after the transplantation. From the electrophysiologic study, SSEPs have shown significant difference in P1-peaks latency when polymer with hMSC- transplanted group was compared with hemisection only group. In the MEPs recording, latency had no significant difference among the groups, but P1-peak amplitudes in polymer with hMSCs transplanted group were significantly higher than hemisection only group. In the immunohistochemical study, the ss-gal positive cells were located in the injured and the adjacent sites after hMSCs transplantation. hMSCs survived in injured and the adjacent spinal cord were differentiatied into different types of cells, such as neuron, astrocyte and oligodendrocyte. These data suggest that MSC-transplantation may play an important role in functional recovery and axonal regeneration, and be potential therapeutic strategies for SCI.