Assessing the therapeutic role of the secretome from mesenchymal stromal cells in genetic models of Parkinson's Disease based on the overexpression of alpha-synuclein

Abstract

The presence of aggregates containing alpha-synuclein (a-syn) and selective loss of dopamine (DA) neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc) are the main characteristics of Parkinson’s Disease (PD). The secretome of mesenchymal stromal cells (MSCs) is the product of their secretory activity and is constituted by a panoply of vesicles, soluble proteins, lipids, and nucleic acids. These molecules, with broad and important roles, are essentially growth factors, anti-inflammatory and anti apoptotic factors, able to exert protective and regenerative actions in the brain tissue. Given the complexity of the mechanisms underlying PD pathophysiology and the richness of the secretome, its application in PD has been investigated, and different studies confirmed its therapeutic potential. Despite the weight of a-syn in the progression of PD, few studies have explored the effects of secretome in models that develop a-syn-mediated pathology. This thesis explored the effects of MSCs-derived secretome in Caenorhabditis elegans models that overexpress a-syn. We found that secretome not only reduced a-syn aggregation but also prevented the a-syn-induced DA neuron loss. Bioreactors are essential tools for large-scale production of secretome and they can alter MSCs secretion activity. We used two dynamic culture systems with distinct design to produce secretome. The capacity of the secretomes to induce neurodifferentiation and to protect DA neurons from the effects of a-syn was compared. The secretomes had different impacts in these models, which was consistent with their distinct protein profiles. Nevertheless, we concluded that the dynamic system, as well as other conditions may have contributed to these results. Finally, we attempted to establish in our laboratory an animal model (rat) of PD, based on the viral vector-mediated overexpression of a-syn, and test the secretome with the best outcomes in the previous study. We observed that animals displayed a significant loss of DA neurons of the SNpc and striatal DA terminals. Moreover, these animals had tendentially a lower motor performance. Secretome-treated animals presented an inferior DA neuron loss, reduced levels of a-syn in the SNpc, and a slightly higher motor performance. In summary, this work provided the basis for future studies using secretome in C. elegans models of PD. It provided new clues regarding the effects of different culturing protocols in the therapeutic potential of secretome and it also gathered more evidence regarding the neuroprotective capacity of the secretome from MSCs.

A presença de agregados contendo alfa-sinucleína (a-syn) e a perda seletiva de neurónios dopaminérgicos na substantia nigra pars compacta (SNpc) constituem as principais características da doença de Parkinson (PD). O secretoma das células estromais mesenquimatosas (CEMs) é constituído por uma panóplia de vesículas, proteínas solúveis, lípidos e ácidos nucleicos. Estas moléculas, com amplas e importantes funções, são essencialmente fatores de crescimento, fatores anti-inflamatórios e anti-apoptóticos, capazes de exercer ações protetoras e regenerativas no tecido cerebral. Dada a complexidade dos mecanismos subjacentes à fisiopatologia da PD e a riqueza do secretoma, a sua aplicação na PD tem sido investigada e diversos estudos confirmaram o seu potencial terapêutico. Apesar do peso da a-syn na progressão da PD, poucos estudos exploraram os efeitos do secretoma em modelos que desenvolvem a patologia mediada por a-syn. Esta tese explorou os efeitos do secretoma em modelos de Caenorhabditis elegans que sobre-expressam a-syn. O secretoma de CEMs não só reduziu a agregação de a-syn, mas também evitou a perda de neurónios dopaminérgicos induzida por esta proteína. Os biorreatores são ferramentas essenciais para a produção em larga escala de secretoma e podem também alterar a atividade secretora das CEMs. Assim, usámos dois sistemas dinâmicos com design distintos para produzir secretoma e comparámos a capacidade dos secretomas em induzir neurodiferenciação e proteger os neurónios dopaminérgicos dos efeitos da a syn. Os secretomas tiveram impactos diferentes nesses modelos, o que foi consistente com perfis proteicos distintos. No entanto, concluímos que não só o sistema dinâmico, mas também outras condições, poderão ter contribuído para estes resultados. Finalmente, tentámos estabelecer no nosso laboratório um modelo animal (rato) de PD, baseado na sobre-expressão de a-syn através de um vetor viral e testámos neste modelo o secretoma com os melhores resultados no estudo anterior. Os animais apresentaram uma perda significativa de neurónios dopaminérgicos na SNpc e estriado. Além disso, estes animais apresentaram tendencialmente um desempenho motor inferior. Os animais tratados com secretoma apresentaram uma perda neuronal inferior, níveis inferiores de a-syn na SNpc e um desempenho ligeiramente superior. Em resumo, este trabalho criou a base para estudos futuros usando secretoma em modelos de PD de C. elegans. Forneceu novas pistas sobre os efeitos de diferentes protocolos de cultura no potencial terapêutico do secretoma e reuniu mais evidências acerca da capacidade neuroprotetora do secretoma de MSCs.