The secretome of Mesenchymal Stem Cells as a cell-free based therapy for Spinal Cord Injury

Abstract

As lesões vertebro-medulares (LVM) resultam de um trauma na espinal medula, seguido da perda parcial ou completa da função motora e sensorial abaixo do nível de lesão. A transplantação celular tem estado na vanguarda de muitas estratégias, mas apresentam uma taxa de implantação e sobrevivência baixas perante o ambiente de lesão nocivo. Como alternativa, estratégias baseadas no uso do secretoma de células estaminais têm sido muito exploradas. O secretoma de células estaminais mesenquimatosas (MSCs) têm mostrado efeitos benéficos através de citoquinas anti-inflamatórias e fatores de crescimento e regenerativos. Uma expressão diferencial destas moléculas por MSCs derivadas do tecido adiposo (ASCs), medula óssea (BMSCs) e do cordão umbilical (HUCPVCs) sugerem um impacto terapêutico distinto. Esta hipótese foi confirmada por experiências in vitro, onde o secretoma de ASCs promoveu níveis de crescimento axonal superiores aos das outras populações celulares. De seguida, o potencial terapêutico do secretoma de ASCs foi avaliado num modelo de LVM em Xenopus Laevis. A sua administração na espinal medula dos Xenopus após transeção completa aumentou a regeneração axonal e crescimento neuronal no local de lesão. Os animais tratados apresentaram formação de uma ponte axonal na zona lesionada, assim como uma melhoria da função motora. Finalmente, o potencial terapêutico do secretoma de ASCs foi avaliado num modelo de LVM em ratinho. O secretoma foi administrado por via intravenosa após transeção completa torácica da espinal medula. Os animais tratados demonstraram melhorias das funções motoras e sensoriais, acompanhado por uma redução evidente do número de células inflamatórias no local de lesão, o que sugere uma ação anti-inflamatória do secretoma das ASCs. Foi também observado crescimento e regeneração axonal após tratamento, assim como uma diminuição da cavidade de lesão. Em resumo, os resultados aqui apresentados providenciam evidências do potencial terapêutico do secretoma de ASCs após LVM, considerando os seus efeitos positivos ao nível da inflamação neuronal e crescimento e regeneração axonal, observado nos modelos in vitro e in vivo aqui estudados, e que estão associados à recuperação motora dos Xenopus Laevis e do ratinho.

Spinal cord injury (SCI) results from a mechanical trauma to the spinal cord, followed by partial or complete loss of motor and sensory function below the level of injury. Cell transplantation has been in the forefront of regenerative medicine strategies, but often presents low engraftment and survival rate within the aggressive environment of SCI. Alternatively, cell-free based strategies using the secretome of stem cells has been highly explored. Mesenchymal stem cells (MSCs) secretome has been showing beneficial effects through anti-inflammatory cytokines and regenerating- and growth-permissive factors. A differential expression of these molecules by adipose tissue (ASCs)-, bone-marrow (BMSCs)- and umbilical cord (HUCPVCs)-derived MSCs suggested a distinct therapeutic outcome. Indeed, this was confirmed in in vitro experiments, where ASCs secretome promoted significantly higher levels of axonal growth, when compared to the other cell populations. Following this, the therapeutic potential of ASC secretome was evaluated in a Xenopus laevis model of SCI. ASC secretome delivery into a transected Xenopus spinal cord increased axonal regeneration and neuronal regrowth at the lesion site. Treated animals showed ablation gap closure and axonal bridge formation between the two spinal cord stumps, as well as an improved motor function. Finally, the therapeutic potential of ASC secretome was evaluated in a mice model of SCI. ASC secretome was intravenously administered into mice spinal cord after complete thoracic transection. Treated animals showed improved motor and sensorial function, accompanied by a marked reduction on the number of inflammatory cells at the lesion site, suggesting an anti-inflammatory action of ASC secretome. Axonal outgrowth and regeneration through the injury was also observed upon ASC secretome treatment, as well as decreased lesion cavities. Altogether, these results provide evidences of the therapeutic potential of ASC secretome after SCI, supported by indications on the positive effects exerted on neuroinflammation, and axonal outgrowth and regeneration, observed for in vitro and in vivo models herein studied, and that were associated to locomotor recovery to both Xenopus laevis and mice.