Inducing spinal cord injury regeneration through the combinatory use of stem cells secretome and electrical epidural stimulation

Abstract

As lesões vertebro medulares (LVM) afetam milhões de pessoas todos os anos levando os pacientes que sofrem delas para condições devastadoras, em particular paraplegia e tetraplegia. Não só aspetos motores são afetados, LVM causam também perdas ao nível sensorial e socioecónomicas. A limitada capacidade regenerativa do sistema nervoso central reduz em chances que recuperação natural, para além disso a patofisiologia da lesão aumenta os danos iniciais e criam um ambiente supressor para que a regeneração ocorra, causando deficiências permanentes. Diversas alternativas terapêuticas foram sugeridas para suprimir e reverter as consequências das LVM, apesar de algumas se mostrarem promissoras nenhuma foi completamente efetiva. Nesta tese, exploramos o efeito terapêutico do secretoma de células estaminais mesenquimatosas do tecido adiposo juntamente com a estimulação epidural, já demonstradas por promover processos regenerativos. Inicialmente comparamos se as frações do secretoma têm um efeito semelhante ao do secretoma total no contexto de LVM e verificamos que o secretoma total é melhor quando testado in vitro e in vivo em particular administrado de forma sistémica. De seguida, estudamos in vitro o efeito do secretoma no tecido da medula espinal e verificamos que contribui de forma significativa para o crescimento axonal e influencia as células gliais. Descobrimos que o BDNF presente no secretome é um dos orquestradores do processo de crescimento axonal. O secretoma protege o tecido da medula espinal após insulto com glutamato. A estimulação elétrica (EE) in vitro influencia as populações celulares da medula espinal, promove mudanças metabólicas bem como marcadores associados a stress, não alterando a viabilidade celular. EE é capaz de promover crescimento axonal em certas condições de estimulação. Finalmente, observamos a estimulação elétrica atua de forma incremental no efeito do secretoma in vitro. In vivo, a combinação dupla, resulta em melhora no perfil locomotor quando adjuvada pelo exercício físico, comparado com o grupo controlo em todos os parâmetros (BBB, perfil locomotor, suporte de peso). Estas melhorias são devidas ao aumento de proteção do tecido neuronal e modulação de células gliais em volto do epicentro da lesão. Em adição, a combinação influencia a reorganização dos circuitos lombares da medula espinal. Os resultados in vivo e vitro suporte o secretome e a estimulação elétrica como uma plausível potencial terapia para reverter os danos causados após LVM.

Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition affecting millions of people worldwide every year. SCI could lead to paraplegia or tetraplegia, but not only motor functions are affected. SCI also causes sensorial deficits, autonomic dysfunctions, and socioeconomic struggle in the following years after injury. The limited regenerative ability of the central nervous system (CNS) reduces the likelihood of natural recovery. Additionally, SCI pathophysiology extends the initial damage and strongly inhibits regenerative events, causing permanent losses to those suffering from it. Several novel clinical and pre-clinical approaches were developed during this century to reduce the detrimental SCI consequences; none were completely effective. In this thesis, we aimed to develop a combinatory therapy using Adipose tissue-derived stem cells (ASCs) secretome and electrical epidural stimulation, both known to contribute to the regenerative and plasticity reorganization following SCI. We start by evaluating if the secretome fractions could be as effective as the total Secretome in the SCI context and conclude that the latter is better than the fractions alone, in vitro and in vivo, particularly when systemically injected. Then, we deeply explored the Secretome neuroregenerative role in vitro and observed an effect on neurite outgrowth and glial cell modulation. We discovered that the BDNF was a significant contributor to the axonal growth mediated by the Secretome. During a glutamate insult, the Secretome protects the neural tissue from damage and promotes axonal growth. In the next chapter, we explore the electrical stimulation (ES) effect on the spinal cord cells. We show that ES influences the spinal cord cellular population and changes the metabolic activity and cellular stress markers without affecting cellular viability. ES exerts changes in axonal growth, inducing axonal growth in specific stimulation settings. Finally, the last task evaluated the combination of EES and Secretome in vitro and in vivo. In vitro, ES seems to enhance, in certain conditions, the secretome effect on neurite elongation and influence the expression of molecules involved in the neuroregenerative process following stress conditions. In vivo, the locomotor training enhances the double combination treatment, resulting in better locomotor performance compared to the untreated group in all parameters (BBB, locomotor profile, and body weight support). Motor improvements were supported by the modulation of glial cells around the lesion epicenter and spared tissue increase. Moreover, the combination seems to influence the reorganization of the lumbar spinal circuits. Our in vivo and in vitro results support the Secretome and EES combinatory approach as a promising alternative therapy for SCI regeneration.