Studying the neuroprotective role of bone marrow-derived mesenchymal stem cell secretome using in vitro and in vivo models of Parkinson’s disease

Abstract

A doença de Parkinson (DP) é a doença motora mais comum, afetando cerca de 6.1 milhões de pessoas mundialmente. Sintomas motores como bradicinesia, tremor em repouso e rigidez muscular são as principais características clínicas da DP. No entanto, sintomas não motores são também determinantes na qualidade de vida e da incapacidade geral do doente. Perda neuronal na substância nigra pars compacta (SNpc) que causa uma deficiência de dopamina (DA) ao nível do estriado, bem como inclusões intracelulares que contêm agregados de α-sinucleína, são as principais características neuropatológicas da doença. As abordagens terapêuticas atualmente disponíveis estão focadas na substituição dos níveis de DA, mas não são capazes de retardar, interromper ou reverter a neurodegeneração subjacente à DP. As células estaminais mesenquimatosas (MSCs) são uma das fontes celulares mais amplamente estudadas para aplicações em medicina regenerativa, particularmente devido à libertação de fatores solúveis e vesículas, coletivamente conhecido como secretoma. O principal objetivo desta tese foi estudar o potencial terapêutico do secretoma de MSCs derivadas da medula óssea (BM-MSCs) usando diferentes modelos da doença. Numa primeira fase, usamos um sistema de organóides humanos específicos do mesencéfalo para modelar a DP in vitro com recurso a dois modelos diferentes, nomeadamente, um modelo induzido pela neurotoxina 6-hidroxidopamina (6-OHDA), e um modelo genético da DP ligado a uma mutação na proteína DJ-1. O secretoma das BM-MSCs foi capaz de proteger a perda neuronal dopaminérgica, bem como a fragmentação das neurites dopaminérgicas, sendo estes efeitos mais evidentes no modelo genético. Em seguida, otimizamos os parâmetros de cultura das BM-MSCs através da introdução do lisado plaquetário humano (hPL) como suplemento para a sua expansão em cultura. In vivo, o nosso objetivo passou por realizar uma extensa caracterização do modelo 6-OHDA unilateral e intra-estriatal de ratinho, para mais tarde avaliar os efeitos do secretoma das BM-MSCs, comparando duas vias diferentes de administração de secretoma: injeções intracerebrais (administração única) com administração sistémica repetida. O secretoma das BM-MSCs levou à recuperação da função motora e proteção dos neurónios dopaminérgicos, no entanto, as múltiplas administrações sistémicas mostraram um efeito terapêutico de maior magnitude, sendo este resultado da extrema relevância do ponto de vista da aplicação clínica. Além disso, a análise proteómica revelou a identificação de várias proteínas neuroreguladoras no secretoma das BM-MSCs expandidas em hPL, reforçando o uso deste suplemento como uma alternativa viável face às abordagens mais convencionais. Concluindo, o nosso estudo produziu contribuições importantes para projetar novas abordagens clínicas livres de células para a DP com base na administração de secretoma.

Parkinson’s disease (PD) is the most common movement disorder that affects 6.1 million individuals worldwide. Motor symptoms such as bradykinesia, rest tremor, and rigidity, are the core PD clinical features. Nonetheless, non-motor symptoms have been recognized as determinants of the patient’s quality of life and overall disability. Neuronal loss in the substantia nigra pars compacta (SNpc), which causes striatal dopamine (DA) deficiency, and intracellular inclusions containing aggregates of α-synuclein are the neuropathological hallmarks of PD. Currently available therapeutical approaches are focused on replacing DA levels, which are not able to slow, halt or reverse PD underlying neurodegeneration. Mesenchymal stem cells (MSCs) are one of the most extensively studied cell sources for regenerative medicine applications, particularly due to the release of soluble factors and vesicles, known as secretome. The main goal of this thesis was to address the therapeutic potential of the secretome collected from bone marrow-derived MSCs (BM-MSCs) using different models of the disease. Firstly, we took advantage of an optimized human midbrain-specific organoid system to model PD in vitro using two different models namely, a neurotoxin induced model through 6-hydroxydopamine (6-OHDA) exposure, and a genetic PD model linked to a mutation in the DJ-1 protein. The secretome of BM-MSCs was able to protect from the dopaminergic neuronal loss, as well as from induced fragmentation of dopaminergic neurites, being these effects more evident in the genetic model. Following on this we further optimize the culturing parameters of BM-MSCs, through the introduction of human platelet lysate (hPL) as a supplement for their expansion in culture. In vivo, we aimed to perform an extensive characterization of a unilateral intrastriatal 6-OHDA PD mouse model, to further evaluate the effects of BM-MSC secretome comparing two different routes of secretome administration: intracerebral injections (single administration) with multiple systemic administration. The BM-MSC secretome led to motor function recovery and dopaminergic loss protection, however, multiple systemic administrations showed a higher magnitude therapeutical effect being this result of the extreme relevance from the clinical application point of view. Moreover, proteomic analysis revealed the identification of several important neuroregulatory proteins in the secretome of hPL expanded BM-MSCs, reinforcing the use of this supplement as a feasible alternative over more conventional approaches. Overall, our study made important contributions to designing new cell-free clinical approaches for PD based on secretome administration.