神经干细胞向大鼠和小鼠大脑的动脉内传递:对脑缺血的应用
June 26th, 2020
报告缺血性中风后，通过普通胡萝卜动脉（小鼠）或外体皮动脉（大鼠）提供神经干细胞的方法，可适应注射溶液或悬浮液。注射的细胞广泛分布于整个脑帕伦奇玛，在分娩后可检测到长达30天。
中风是全世界死亡和残疾的主要原因。虽然脑血管闭塞的血栓解和手术切除可以在部分患者中进行，但仍迫切需要有效的治疗中风。在这里，我们演示了一种基于导管的动脉内干细胞到缺血半球的传递，作为中风治疗的潜在方案。
首先，我们介绍如何准备注射导管和手术钩。我们为动脉内注射设计了两种类型的注射导管。设计一用于注射不需要冲洗管的溶液或悬浮液。
设计二允许注射神经干细胞，然后冲洗死量，以提供完整的体积。要构建一组喷射导管，您需要 26 个仪表和 20 个仪表指针、10 到 15 厘米长度的 MRE 25 导管和 3 厘米长的 MRE 50 和 MRE 10 导管。切断针尖，抛光砂纸上的金属端，重新打开管子并平滑边缘，然后用蒸馏水冲洗，以清理孔并清除碎屑。
该图显示了剪下针尖后 20 量针的闭端，在抛光后用平滑孔重新打开。在显微镜下，将 20 测量针插入 MRE 50 管的端。弯曲 26 表针，然后穿透 20 表针尖的末尾下方的管子。
用超级胶水固定 26 表针。然后嵌入两个针轮毂和管和环氧树脂，以建立一个坚实的块，以提高强度。你还需要三个手术钩，以保持组织的位置，以更好地暴露手术位。
从 27 个测量针中切开一个半到两厘米长的针轴，并在砂纸上抛光两端，直到变暗。使用小型止血夹将轴弯曲成一端的挂钩，另一端为环形。插入 10 至 15 厘米长的 MRE 25 导管穿过环，用清晰的手术胶带固定。
使用同一方法制作两个挂钩。钩和导管系统应浸泡在70%乙醇中过夜进行灭菌。涉及动物主体的所有程序都得到肯塔基大学机构动物护理和使用委员会的批准。
我们使用ENT胚胎小鼠大脑培养GP，正神经干细胞。GFP阳性胚胎可以在荧光显微镜上的 FITC 通道中轻松可视化。而野生型胚胎没有显示荧光使用相同的暴露。
只有当暴露时间增加100倍时，野生型胚胎的自荧光才可见。胚胎皮层被收集，并用于建立神经干细胞培养遵循制造商的协议。这些神经干细胞可以形成神经球，可以超过10代，他们可以区分成胶质是神经元。
胚胎干细胞标记组，如纳米，SSEA1，Oct4和Sox3可用于识别干细胞属性，而神经球。神经球在介质中培养，遵循制造商的协议，并在第三和五段之间用于神经干细胞的传递。在小鼠和大鼠的左半球诱导缺血性中风，使用基于灯丝的中脑动脉闭塞，MCAO根据物种进行一些修改。
在小鼠中，灯丝通过常见的胡萝卜状动脉CCA插入，并推进到内胡萝卜状动脉，ICA。而在大鼠中，由于工作空间较大，丝丝通过外皮动脉ECA引入国际癌症中心。在这里，我们演示小鼠手术。
沿着颈部做中线切口后，使用钝解剖分离底层组织。使用由 27 量针轴制作的三个显微手术钩，实现更好的视场。黑色方块表示下一步的手术区域。
左侧 CCA 上方的肌肉层小心打开，以暴露左侧 CCA 和迷走神经。按照 CCA 进行，直到您到达并识别分叉。应谨慎行事，不要伸展、取代或挤压此 CCA 或迷走神经。
小心地打开清晰的结缔组织，覆盖CCA和迷走神经。释放此 CCA 下方的空间，并尽可能隔离 CCA 茎。螺纹双链六O编织尼龙手术缝合线下CCA。
剪切中间点以留下 CCA 基础的缝合线。在 CCA 下放置另一个尼龙缝合线。在上缝合上系上一个滑点，保持松动。
分离两个下部缝合线。用中间缝合线打滑结，保持松动。用下缝合线系上外科医生的结，并尽可能将结移至近端。
向下修剪缝合端。进一步公开除分叉之外的 CCA。将上部松动滑到分叉上，拧紧，以防止血液回流。
将硅橡胶涂层 70 尼龙 MCAO 缝合线放在 CCA 旁边。使用微型剪刀，在CCA上切一个小切口，紧放在下结旁边。通过此切口将 MCAO 缝合线尖插入 CCA，并将其推进到上结。
调整中间结的位置并拧紧它，直到它能够将 MCAO 缝合线保持到位。不要过度拧紧结。松开上结，但在同一位置再打一个松滑结。
将 MCAO 缝合线推进到 ICA 中。确认 MCAO 缝合线将分叉传递到 ICA 中。缝合的路径应该是相对直的，进入更深的组织，因为它的进展。
检查缝合端的银色标记。确保它达到分叉。再次检查 MCAO 缝合线的方向。
调整上部和中结，确保无血泄漏。进一步推进 MCAO 缝合线，拧紧两个上结，确保 MCAO 缝合到位。开始记录一小时的缺血时间。
一个小时的缺血后，我们麻醉动物，并重新打开皮肤伤口。暴露手术区域。找到上部和中滑点。
轻轻松开上结。轻轻拉出 MCAO 缝合线，直到白色硅橡胶部分达到中间结。拧紧上结，将 MCAO 缝合线保持到位，以避免出血。
轻轻松开中间滑点。拉出 MCAO 缝合线，直到其端部通过上结。拧紧上结。
将中间滑点放在 CCA 的切口上方。拧紧中间滑点。拆下上结。
中间结的修剪缝合端。关闭皮肤伤口，让动物恢复。根据我们的经验，神经干细胞在中风后一到三天之间通过这条动脉途径安全注射。
同样，小鼠和大鼠手术在神经干细胞注射方面也有细微的变异。在这里，我们演示小鼠手术。在中风后的第三天，麻醉动物，重新打开伤口，并重新暴露CCA。
在 CCA 下铺设双绞线手术缝合线，并在中点切割，以获得两个缝合线。正确放置两个缝合线。用上缝合做一个滑点。
放在分叉的下面。拧紧上滑口。用中间缝合做另一个滑点。
在中风手术的剩余修剪结上方切一个小切口。修剪 MRE 10 导管的尖端，角度约为 45 度。使用此锋利的端在 CCA 上输入切口。
小心正确调整入口角度和用于插入导管的力。否则，导管可能无法进入 CCA 或可能刺穿 CCA。插入导管并前进，直到尖端达到上结。
拧紧中间滑点，将导管保持到位，并确保无血连杆。松开上结。用上缝合打滑结。
调整 CCA 内导管的角度和两个结的位置，直到血液快速回流可见，表示导管和 CCA 流量之间的成功通信。启动注射器泵。导管中的血将被冲洗回CCA。
五分钟后终止注射。把上结拉上。松开中间结并松开导管。
把中间结拉上。修剪所有结。关闭伤口，让动物恢复。
在动脉注射后，标有GP的神经干细胞大多存在于气管半球。在这里，我们显示注射后一天海马凹陷陀螺的分布。在ipilateral半球，一些GP阳性神经干细胞在皮层和线状体中局部，表达双皮质，一个不成熟神经元的标记。
这些是来自假和中风动物的代表性图像，有或没有神经干细胞注射在注射后七天。在分娩后30天，只有轻微的自动荧光可以通过感染车辆注射的动物的 FITC 通道检测到。在注射的干细胞中，在受伤的大脑中可以发现标有GP神经干细胞，并表达各种细胞标记，如格洛标记GP或神经元标记图胡安。
每个图像中的白色箭头分别指示表达 GFP 或 tujuan 标记的神经干细胞。总之，动脉内注射是一种可行的方法，用于中风治疗的神经干细胞的输送。神经干细胞可以存活下来，并分化成受伤大脑中不同的细胞类型。
最后，这里介绍的动脉注射方法也可用于提供溶液和悬浮液。
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概述
本研究提出了一种通过小鼠的颈总动脉和大鼠的颈外动脉在缺血性中风后输送神经干细胞的方法。注射的细胞在大脑中分布广泛，可在输送后的30天内被检测到，提供了一种潜在的治疗途径。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 细胞治疗
- 中风康复
背景
- 中风是全球范围内的主要死亡和残疾原因之一。
- 现有的治疗方法有限，需要有效的替代方案。
- 干细胞治疗在中风后康复中显示出前景。
研究目的
- 开发一种基于导管的神经干细胞动脉内输送方法。
- 研究这些细胞在缺血性大脑中的分布和存活情况。
- 探索这种方法作为缺血性中风的潜在治疗方法。
使用的方法
- 该研究利用导管注射法将干细胞输送到大脑。
- 神经干细胞从胚胎小鼠大脑中培养并进行表征。
- 使用改良的中动脉闭塞（MCAO）方法诱导缺血性中风。
- 详细描述了导管植入和干细胞输送的具体手术技术。
- 注射后细胞检测时间表延续到30天。
主要结果
- 通过颈总/颈外动脉输送的神经干细胞在大脑中分布广泛。
- 细胞在输送后30天内仍然可以被检测到，表明它们具有活性。
- 结论指出，通过这种输送方法可以增强中风患者的康复前景。
结论
- 本研究展示了一种在中风后维持大脑中神经干细胞的可行方法。
- 该方法显示出使用基于细胞的方法进行中风治疗的潜力。
- 它强调了探索治疗大脑缺血性损伤的新途径的重要性。
常见问题
Executive Industry Relevance
Intra-arterial delivery of neural stem cells offers a less invasive route with broader brain distribution compared to intracranial injection, addressing a key challenge in cell therapy for ischemic stroke. This approach supports target validation by enabling widespread engraftment in the ischemic hemisphere, which is critical for assessing therapeutic potential in preclinical models. The method enhances predictive confidence in stem cell survival and differentiation, providing a translatable platform for de-risking CNS-targeted regenerative therapies in early discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of neural stem cell engraftment and distribution in the ischemic brain, supporting target validation through direct observation of cell localization near injury sites.
- Operational Value: Provides a reproducible surgical procedure for consistent delivery via carotid arteries, reducing variability in preclinical stem cell studies.
- Predictive Value: Facilitates assessment of long-term cell survival and differentiation up to 30 days, informing go/no-go decisions in stem cell therapy development.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable GFP-labeled cell readouts across brain regions over time, enabling standardized assay development for stem cell biodistribution.
- Operational Value: Supports scalable catheter-based delivery compatible with high-content imaging workflows for tracking cell fate in rodent models.
- Assay Readiness: Produces diffuse, hemisphere-wide distribution that improves reliability of downstream functional and histological readouts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates differentiation of delivered neural stem cells into glial and neuronal lineages, supporting mechanistic de-risking of cell-based therapies.
- Translational Continuity: Enables evaluation of cell therapy effects from acute to chronic phases post-stroke, aligning with preclinical validation timelines.
- Risk-Adjusted Advancement: Provides evidence of long-term engraftment without ectopic trapping in peripheral organs, improving safety profile assessment.
Pipeline & Workflow Integration
The intra-arterial delivery method fits within the discovery-to-preclinical continuum, enabling hypothesis testing in ischemic models and supporting lead identification through quantifiable cell engraftment and differentiation outputs.
- Discovery Biology: Supports functional validation of neural stem cells by enabling delivery to the ischemic brain and tracking survival, migration, and differentiation.
- Screening: Generates reproducible, quantitative biodistribution data essential for assay standardization and cross-study comparison.
- Analytics: Provides time-resolved fluorescent readouts (GFP) that allow teams to compare engraftment efficiency across conditions and timepoints.
- Translational Research: Connects early engraftment data to long-term survival and lineage commitment, informing preclinical efficacy assessments.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized surgical platform adaptable to other cell types or therapeutic compounds, promoting cross-project utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by demonstrating widespread, sustained engraftment of neural stem cells in the target ischemic region.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible delivery via catheter-based technique, minimizing procedural variability across laboratories.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by providing early, quantifiable evidence of cell survival and differentiation in disease-relevant models.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of stem cell candidates by demonstrating durable brain engraftment without peripheral sequestration.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microsurgical techniques, including carotid artery isolation and catheter insertion.
- Depends on specialized instrumentation such as microsurgical hooks, suture materials, and fluorescence imaging systems for cell tracking.
- Necessitates cross-team standardization of surgical protocols to ensure consistency in stem cell delivery across studies.
- Involves adaptation considerations when translating between mouse and rat models due to anatomical differences in carotid access.
- Limited by the technical complexity of arterial catheterization, which may affect throughput in large-scale screening campaigns.
