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쥐와 마우스 두뇌에 신경 줄기 세포의 동맥 내 납품: 대뇌 허혈에 응용 프로그램

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Neuroscience

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Summary

신경 줄기 세포를 전달하는 방법, 용액 또는 현탁액을 주입하기 위한 적응성, 일반적인 경동맥을 통해 (마우스) 또는 외부 경동맥 (쥐) 허혈성 뇌졸중 후보고된다. 주입된 세포는 뇌 의 자당종 전체에 광범위하게 분포되며 전달 후 최대 30d까지 검출될 수 있다.

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Zhang, B., Joseph, B., Saatman, K. E., Chen, L. Intra-Arterial Delivery of Neural Stem Cells to the Rat and Mouse Brain: Application to Cerebral Ischemia. J. Vis. Exp. (160), e61119, doi:10.3791/61119 (2020).

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Abstract

신경 줄기 세포 (NSC) 치료는 뇌졸중, 외상성 뇌 손상 및 신경 퇴행성 질환에 대한 새로운 혁신적인 치료법입니다. 두개 내 전달과 비교하여 NSC의 동맥 내 투여는 덜 침습적이며 뇌 완두엽종 내에서 NSC의 확산 분포를 생성합니다. 또한, 동맥 내 전달은 뇌 순환에 있는 첫번째 통과 효력을 허용하고, 말초 주사와 관련되었던 간 및 비장과 같은 말초 기관에 있는 세포의 포획을 위한 잠재력을 감소시킵니다. 여기서, 우리는 일반적인 경동맥(mouse) 또는 외부 경동맥(rat)을 통해 NSC를 허혈성 뇌졸중 후 입시측반구로 전달하는 방법론을 상세히 설명한다. GFP 라벨NSC를 사용하여, 우리는 허혈성 상해 사이트 또는 그 근처에 더 높은 밀도로, 사후 전달 후에 1 d, 1 주 및 4 주에 설치류 ipsilateral 반구를 통해 달성된 광범위한 분포를 보여줍니다. 장기 생존 이외에, 우리는 4 주에 GFP 표지 된 세포의 분화의 증거를 보여줍니다. NSC를 위해 여기에서 기술된 동맥 내 전달 접근은 또한 치료 화합물의 관리에 사용될 수 있고, 따라서 다중 종에 걸쳐 다양한 CNS 상해 및 질병 모형에 광범위한 적용성을 가지고 있습니다.

Introduction

줄기세포(SC) 치료는 뇌졸중, 두부 외상 및 치매1,,,2,23, 4,4,55,6을포함한 신경질환 치료제로서 엄청난 잠재력을 지니고 있다. 그러나, 병이 있는 뇌에 외인성 SC를 전달하는 효율적인 방법은 문제가있는 2,,6,,7,,8,,9,,10,,11,,12,,13으로남아 있다. 정맥 내(IV) 또는 관면(IP) 주사를 포함한 주변 전달 경로를 통해 전달되는 SC는 미세 순환, 특히 폐, 간, 비장 및 근육8,,9,,13,,14에서미세 순환에서 첫 번째 통과 필터링의 대상이 되며, 비표적 영역에서 세포의 축적 가능성을 증가시킵니다. 침습적 인트레이스레브렐 주사 방법은 국소화된 뇌 조직 손상 및 주사 부위,,2,6,8,14,,15,16근처의 SC의 매우 제한된분포를초래한다., 최근에는 카테터 기반 동맥 내 주입 방법을 수립하여 외인성 신경 SC(NSC)를 전달하며, 여기서 설명되는 이 방법은 초점 허혈성 뇌졸중의 설치류 모델에 적용되고 있다. 마우스,또는 쥐(17, 18,19)에서좌중뇌동맥(MCA)을 폐백시키기 위해 실리콘 고무 코팅 필라멘트를 이용하여17,한 반구에서 과도(1h) 허혈-재퍼퓨전 손상을 유도한다.18 본 모델에서 우리는 레이저 도플러 또는 레이저 반점 이미징17,19,일관된 신경 적자17,18,19를가진 ipsilateral 반구에서 대뇌 혈류(CBF)의 약 75-85%의 우울증을 재현적으로 관찰하였다.17,,

시간 절약을 위해, 비디오는 정상 속도의 두 배로 재생하도록 설정되어 있으며, 봉합사를 사용한 피부 제제 및 상처 폐쇄와 같은 일상적인 외과 적 수술과 전동 주사기 펌프의 사용 및 설정은 제시되지 않습니다. NSC의 동맥 내 전달 방법은 설치류에서 실험적인 뇌졸중의 중간 뇌동맥 폐색(MCAO) 모델의 맥락에서 입증된다. 따라서, 우리는 나중에 두 번째 수술, 동맥 내 주사가 동일한 동물에 이전 수술 부위를 사용하여 수행되는 방법을 보여주기 위해 일시적인 허혈성 뇌졸중 절차를 포함한다. 설치류 스트로크 모델에서 동맥 내 NSC 전달의 타당성은 외인성 NSC의 분포와 생존을 평가함으로써 입증된다. 뇌 병리학 및 신경 기능 장애를 감쇠하는 NSC 치료의 효능은 별도로 보고될 것입니다.

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Protocol

동물 과목에 대한 모든 절차는 켄터키 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인되었으며 수술과 관련된 스트레스 나 통증을 최소화하기 위해 적절한 주의를 기울여 복용했습니다.

1. 주사 카테터 및 수술 후크 준비

  1. 사출 카테터(도1)를구성한다. MRE010, MRE025 및 MRE050 튜브, 20G, 26 G 및 27 G 주입바늘(그림 2A),600 그루릿 사포, 슈퍼글루 및 2성분 5분 에폭시(5분 에폭시)를 포함한 필수 재료를 수집합니다.
    1. 바늘 허브로부터 1cm에서 20 G 및 26 G 바늘을 자르고 사포에 끝을 연마(도 2B). 바늘을 청소하기 위해 이중 증류수 10mL로 바늘을 씻어 내보라고 합니다.
      참고 : 두 가지 디자인(그림 1)이사용됩니다. 설계 1에는 단일 커넥터가 있으며 솔루션 또는 서스펜션을 주입하는 데 사용됩니다. 설계 2에는 NSC 함유 용액의 전체 부피의 전달을 보장하기 위해 세포(20G 바늘)와 죽은 부피(26G 바늘)의 플러시용 20G 및 26 G 루어 잠금 커넥터가 있습니다.
  2. 설계 1: 길이 3-4cm MRE010 카테터를 15cm 길이 MRE025 카테터에 삽입하고 슈퍼 접착제로 고정합니다.
    1. MRE025 튜브의 다른 쪽 끝을 MRE050 카테터 세그먼트에 연결하고 슈퍼 접착제로 고정하십시오. MRE050 카테터의 나머지 끝에 둔한 20 G 바늘을 삽입하고 슈퍼 접착제로고정(도 1).
    2. 에폭시 접착제로 연결 부위를 보강합니다. 이 카테터 설계는 시약(화학 적 또는 약물 용액 또는 사이토카인과 같은 다른 생물학적 제제 와 같은) 시약의 주입에 최적입니다.
  3. 설계 2: 길이 3-4cm MRE010 카테터를 15cm 길이 MRE025 카테터에 삽입하고 슈퍼 접착제로 고정합니다.
    1. MRE025 튜브의 다른 쪽 끝을 MRE050 카테터 세그먼트에 연결하고 슈퍼 접착제로 고정하십시오. 둔한 20 G 바늘을 MRE050 카테터의 나머지 끝에 삽입하고 슈퍼 접착제로 고정하십시오.
    2. 첫 번째 바늘 의 끝 근처에 MRE050 튜브에 둔한 26 G 바늘을 삽입하고 주입 흐름의 방향에 따라 슈퍼 접착제(도 1도 2C)로고정하십시오. 명확한 에폭시(도 2C)와MRE050 튜브의 바늘과 세그먼트를 모두 강화합니다. 이 설계를 통해 NSC 주입 후 바늘 2(26 G)를 통해 차량 용액을 주입하여 카테터의 죽은 부피를 뇌 순환으로 플러시하여 주사 부피의 보다 정밀한 제어를 달성한다.
    3. NSC 주입에 20G 바늘을 사용하여 NSC의 손상을 최소화하여 생존 가능성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
  4. 시공 후 카테터를 10mL의 이중 증류수로 씻어내고 70% 에탄올을 넣은 다음 하룻밤 사이에 70%의 에탄올에 담급니다.
  5. 수술 전에 카테터를 70% 에탄올에서 제거하고 멸균 PBS 10mL로 세척하고 저장 및 운송을 위한 오토클레이브 수술 도구 상자에 넣습니다.
  6. 외과 후크의 준비
    1. 27 G 바늘에서 1.5- 2cm 길이의 바늘 샤프트를 자르고 사포에서 양 끝을 칙칙할 때까지 닦습니다. 그런 다음 작은 혈전 성 클램프를 사용하여 샤프트를 한쪽 끝에 후크로 구부리고 다른 쪽 끝에는 링 셰이프를 구부립니다.
    2. 10-15cm 길이MRE025 카테터를 링을 통해 삽입하고 명확한 수술 용테이프(도 2D)로고정합니다. 동일한 방법을 사용하여 후크 2개 더 만듭니다.
    3. 모든 후크와 카테터 시스템을 70% 에탄올에 담그세요.

2. 동물 준비 : 배달, 주택, 환경 적응

  1. 남성과 여성 C57BL/6 마우스 (10-12 주, n=10/시간 포인트) 및 Wistar 쥐 (10-12 주, n=10) 본 연구에서 사용 되었다.
  2. 환경적으로 통제되는 동물 비바리움에 음식과 물 광고 리비툼을 보관하십시오.
  3. 뇌졸중 수술 1주일 전에 환경에 적응할 수 있습니다.
    참고: 마우스 1개와 쥐 1명은 뇌졸중 수술 후 1d로 사망했으며, 중증 마비로 인해 NSC 주사 전에 마우스 1개에서 3d로 안락사되었습니다.

3. 마우스와 쥐 신경 줄기 세포의 배양 (NSC)

참고: NSC는 설정된프로토콜(20)에따라 격리되고 배양되었습니다.

  1. 마우스
    1. GFP 양성 남성 마우스(B6 ACTb-EGFP)와 결합된 시간 임신 여성 C57BL/6 마우스로부터 E18 배아 피질로부터 야생형(WT) 및 GFP 라벨NSC를 분리한다. GFP (+) 배아를 식별하려면 FITC 채널을 사용하여 형광 현미경으로 수확된 배아를 관찰하십시오. GFP(+) 배아는 녹색 형광 신호를 산출하고 WT 배아는 약한 자동 형광(그림3A)만을 나타내고 있다.
    1. 젊은 성인 WT 쥐의 심실 영역 (SVZ)에서 NSC를 분리합니다. 제조업체의 지침21에따라 주입 직전에 DiI로 라벨을 붙입니다.
  2. 배양 마우스 또는 쥐 NSC는 신경구로 발전하고, 구체직경이 약 100 μm(그림3B)에도달할 때 이를 통과한다. 3번과 5번 통로 사이에 NSC를 사용하여 주입하십시오.
  3. 배아 줄기 세포 마커패널(도 3C)을사용하여 줄기 세포 특성을 검증한다.
  4. 주사 당일, NSC 구체를 수집하고 세포 분리 용액으로 해리하고, 칼슘 및 마그네슘이 없는 PBS에서 107 세포/mL의 농도로 중단하고, 주입될 때까지 젖은 얼음에 놓습니다.

4. 외과 적 준비

  1. 수술 전, 삽입 길이의 수술 내 참조를 위해 팁에서 9mm (마우스용) 또는 15mm (쥐용)에서 실버 마커 펜으로 상용 MCAO 봉합사에 점을 표시하십시오. 수술 전 수술 도구(가위, 집게) 및 기기를 자동 클랩하고, 가열은 수술 사이에 유리 비드 멸균기에서 소독합니다.
  2. 흡입을 통해 5% 이소플루란을 가진 동물의 마취를 유도하고 1-2%의 이소플루란으로 마취를 유지합니다. 일반적인 조건 (호흡 패턴, 수염 운동 및 자발적인 신체 보정 자세), 각막 반사 및 발가락 핀치에 대한 반응을 관찰하여 마취의 깊이를 평가합니다.
  3. 동물 용 수핀을 가열 패드에 놓고 베타딘 용액으로 클리핑및 스크러빙을 한 다음 70 % 에탄올을 통해 동물의 수술 부위를 준비합니다. 수술 중 안과 연고(예: 인공 눈물 연고)를 적용하여 동물의 눈을 건조로부터 보호하십시오.
  4. 외과 의사는 박테리아 스크럽으로 손을 철저히 문질러 마스크, 멸균 장갑 및 깨끗한 실험실 코트를 착용하십시오.

5. 중간 뇌 동맥 폐색 (MCAO) 뇌졸중 수술

참고: 마우스 또는 쥐의 한 반구에서 허혈성 뇌졸중을 유도하는 수술은 봉합사가 내부 경동맥(ICA)에 도입되어 혈류를 가리키는 것과유사하다(도 4)17,,18,,19,,22. 그러나 봉합사 삽입을 위해 선택된 동맥은 후속 줄기 세포 주입에 필요한 사용 가능한 작동 공간에 따라 다릅니다. 쥐는 두 개의 별도 순차적 수술 (뇌졸중 및 NSC 주입)을 허용하는 외부 경동맥 (ECA) 세그먼트에 충분한 공간을 가지고 있지만 마우스는 다른 접근 이 필요합니다. 뇌졸중 유발 대뇌 혈류 변화, 뇌 경색 크기 및 신경 결핍은 저자의 이전 보고서17,,18,,19에서와같이 보고되었다.

  1. 허혈성 뇌졸중을 유도하기 위해 자궁 경부 부위에 중간 절개를 하여 마우스 및 쥐 수술을 시작하고 왼쪽 공통 경동맥(CCA), ECA 및ICA(도 4)의분리를 시작한다. CCA 또는 미주 신경을 스트레칭, 변위 또는 짜내지 않도록 주의하십시오. 그 이후에는 동맥 및 외과 적 단계의 선택이 다르기 때문에 마우스와 쥐에 대한 MCAO 수술은 별도로 설명될 것입니다.
  2. 마우스에 MCAO 수술(그림 4A)
    1. CCA(도4A,1단계) 아래에 3개의 브레이드 6-0 나일론 봉합사를 배치하고, 근위현(도4A,2단계)을 사용하여 가능한 한 멀리 양면으로부터 혈관을 폐포하기 위해 팽팽한 수술 매듭을 만든다. 봉합사 끝을 잘라내면 됩니다.
    2. CCA의 단층 측에서 슬립노트를 만듭니다 (주의 : 6 단계에서 방출 될 때 과도하게 조여지지 마십시오) 두 개의 긴축 매듭 사이에 하나의 느슨한 슬립 노트(그림 4A,단계 2).
    3. 작은 절개(둘레의 1/4 -1/3)를 미세시저(도4A,3)로 CCA의 근접 매듭에 가깝게 자르고 7-0 고체 나일론 봉합사(도4A,단계 4)로 코팅된 상업용 실리콘 고무를 조심스럽게 삽입한다. 중간 끈으로 이 봉합사를 고정하고, 충분히 조여(도4A,5단계)는 ICA의 백플로에 의해 실리콘 고무 코팅 나일론 필라멘트의 절개및 움직임없음을 보장하면서도 핀셋에 의해 부드러운 푸시로 ECA쪽으로 봉합사의 전진을 허용한다.
    4. 상부(distal) 슬립노트(도4A,6단계)를 해제하고 팁이 9mm에 대한 분기를 통과할 때까지 ICA로 나일론 봉합사를 전진시키세요(봉합사에 실버 마커를 참고로 사용). 상두 슬립노트를 조여 봉합사를 확보하고 혈류를 방지합니다.
    5. 필라멘트 1h후(도 4A,7단계)를 철회하고 중간 매듭을 이용하여 CCA를 리게이트하여 출혈을 방지합니다(도4A,단계 5-7역순, 8단계에서 본 최종 결과). 위 매듭을 놓습니다. 4-0 수술 봉합사로 상처를 닫습니다.
  3. MCAO 쥐에 수술(그림 4B)
    1. ECA(도4B,1단계)에 따라 6-0 나일론 봉합사 2개를 배치하고 가능한 한 단종에 하나의 타이트한 매듭을 만듭니다(도4B,2단계).
    2. ICA 및 CCA에 혈관 클립을 배치하여 동맥 혈류를 가리켜놓습니다(도4B,단계 3). 슬립노트는 선박 클립의 대체 항목으로 사용할 수 있습니다.
    3. 마이크로시저(도4B,3-4)로 ECA에 작은 절개를 하고, 6-0 나일론 필라멘트(도4B,5단계)로 코팅된 상업용 실리콘 고무를 삽입하고 ECA의 슬립노트로 적절하게 고정한다.
    4. ICA에 혈관 클립을 방출하고, 실버 마커(15mm)가분기(도 4B,6)에 도달할 때까지 ICA로 필라멘트를 진군한 다음 ECA(도4B,6단계)에2nd 매듭으로 봉합사를 고정한다.
    5. 허혈의 1 h 후, 출혈을 방지하기 위해이 필라멘트를 철회하고 절개를 리게이트(도 4B,단계 7), CCA에서 혈관 클립을 제거 (8 단계와 최종 결과), 4-0 수술 봉합사와 상처를 닫습니다.

6. 복구

  1. 뇌졸중 수술 후, 동물을 완전히 의식을 회복 할 때까지 가열 패드에 놓습니다.
  2. 피하 주사를 통해 진통을 제공합니다. 물과 음식 광고 리비도에 액세스 할 수있는 자신의 홈 케이지에 동물을 반환합니다.

7. 동맥 내 주입

  1. 카테터 전체를 70% 에탄올로 씻고, 사용할 때까지 밤새 담가 둡니다. 주입 직전에 바늘의 루어 자물쇠를 멸균 주사기로 연결하고 카테터 시스템의 전체 루멘 면을 멸균 PBS 10mL로 세척합니다.
  2. NSC 주입을 위한 시간 창 및 준비
    참고: 다른 연구 팀의 경험과 보고서에 따르면 NSC 주입 시기는 피험자와 외인성 NSC의 생존에 매우 중요합니다. 우리의 파일럿 연구에서, 초기 시점에서 NSC의 주입 (레퍼퓨전 후 처음 6 시간 내에서) 더 높은 사망률을 주도. 따라서, 뇌졸중 후 2d(48h)에서 3d(72h) 사이의 시간 창을 결정하고, NsC의 인트라파렌키말 분포를 달성하는 데 효율적입니다.
    1. 주사기 펌프 분사 율을 마우스의 경우 20 μL/min, 쥐의 경우 50 μL/min으로 설정합니다. 주사의 과도한 속도 또는 지속 기간은 쥐보다 더 취약한 전신 볼륨 과부하를 초래할 수 있습니다.
    2. 간단히 말해서, 뇌졸중 수술 후 3d에서 이소플루란으로 동물을 마취하고 가열 패드에 척추를 놓습니다.
    3. 자궁 경부 상처를 다시 열고 ECA, ICA 및 CCA를 다시 노출시합니다(그림 5,1 단계). 뇌졸중 수술에서와 같이, 종에 따라 주사 경로를 결정합니다. 마우스내 NSC 주입을 위한 CCA를 활용하고,쥐(23)에대한 ECA를 활용한다.
  3. 마우스에서 CCA를 통한 동맥 내 주입
    1. CCA 아래에 6-0 브레이드 나일론 봉합사 2개를 놓습니다. 이전 뇌졸중 수술에서 분기 및 하부 매듭 사이에 각각의 느슨한 슬립 노트를 만듭니다(그림 5,2 단계).
    2. 상부 슬립노트를 조인 다음 하부 매듭 위에 작은 절개를한다(그림 5,3단계). 절개를 통해 MRE010 카테터를삽입(도 5,4) 사출 흐름을 차단하지 않고 중간 매듭으로 고정(도5,5). 상부 매듭을 풀어 놓고 카테터 위치를 조정할 때 카테터에서 혈액의 역류를 볼 수 있어야 합니다.
    3. ECA에 선박 클립을 배치하고, 주사기 펌프로 5 분 동안 20 μL /min에서이 카테터를 통해 1 x 106 GFP-NC를 주입하고 동일한 속도로 PBS의 50-100 μL로 플러시합니다.
    4. 주사 후, 상부 슬립 매듭으로 절개 위에 CCA를 리게이트하고 MRE010 카테터(도 5,단계 6)를 철회한다. 중간 매듭과 상부 매듭을 조이고 다듬습니다. ECA에서 용기 클립을 제거합니다. 그림 5,7단계의 최종 이미지를 참조하십시오.
    5. 4-0 수술 봉합사로 상처를 닫습니다.
    6. 가열 패드와 피하 진통제 주사에 적절한 복구를 제공 한 후, 자신의 홈 케이지에 동물을 반환합니다.
  4. 쥐에서 ECA를 통해 동맥 내 주입
    1. 선박 클립으로 ECA 및 CCA를 일시적으로 폐색합니다(그림5,2단계).
    2. ECA의 근부 측에서 작은 절개를합니다(도 5,3단계 3), MRE010 카테터를 삽입하고 매듭으로 고정한다(도5,4).
    3. 두 선박 클립을 제거하고, 5 x 106 NSC를 PBS 100 μL/분50 μL/분에서 2분 동안 주입한 다음, 동일한 속도로 50-100 μL(그림5,5단계)의 플러시를 구동식 주사기 펌프를 사용하여 동일한 속도로 주입합니다.
    4. 주입 후, CCA 및 ECA를 다시 혈관 클립으로 폐색하고 주사 카테터의 철수 후 제2 절개 측에서 ECA를 리칭한다(도5,단계 6).
    5. 두 개의 혈관클립(그림 5,7단계)을 제거하고 4-0 수술 봉합사로 상처를 닫습니다.
    6. 가열 패드와 피하 진통제 주사에 적절한 복구를 제공 한 후, 자신의 홈 케이지에 동물을 반환합니다.
  5. 조직학적 분석
    1. 허혈성 뇌졸중을 받은 쥐와 쥐로부터 뇌를 수집한 후, 안사암 및 심장 내 관류 후 4%의 파라포름알데히드(1d)(마우스 및 쥐), 7d(마우스) 및 30d(마우스)를 주입한 후 뇌를 수집한다. 이들 4개 그룹은 각각 5개의 NSC와 5대의 차량 주입동물로 구성되었다.
    2. 하룻밤 동안 뇌를 고정하고 3 d에 대한 30 % 자당에 냉동 보존.
    3. 뇌를 OCT에 포함시키고, 40 μm 두께로 슬라이스하고, 신경교 피동성 산성 단백질(GFAP, 성상세포), Tuj1(성숙한 뉴런), 더블코르틴(DCX, 미성숙뉴런)을 포함한 세포 특이적 마커로 면역스테인링 한 후 NSC의 분포를 검사합니다.
      참고: GFP를 표현하는 쥐 균주가 없기 때문에, 우리는 상대적으로 단기적인 관찰만 허용하는 쥐 NSC에 대해 일시적인 형광 라벨인 DiI를 활용했습니다. 따라서 NSC 분포는 쥐에 뇌졸중 후 1d에서만 검사되었습니다.

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Representative Results

GFP 라벨NSC는 허혈성 뇌에서 쉽게 검출되었으며, 주로 입실반구에서, 특히 페넘브라와 부상림(그림 6)을따라 검출되었다. 심사관은 이미징 및 분석 중에 단 하나 눈을 멀게했습니다.

예를 들어, 주사 후 1d에서, NSC는 마우스 해마 내에서 검출되었다. NSC의 하위 집합은 이 초기 시점에서조차 축성 자이러스에서 미성숙 뉴런 마커 DCX의 공동 발현을보였다(도 6A).

뇌졸중 후 10d(NSC 주입 후 7d)에서 외인성 GFP-NSC는 스트트리아텀 및 피질(도6B)에서부상(유역 지역)의 림에서 가장 높은 밀도로 관찰되었다. GFP-NSC의 많은 주입 후 7 d에 의해 또한 DCX표현 (블루 원에 의해 표시), 그들의 신경 운명을 나타내는 주목할 만하다. 차량 용액 주입을 받은 동물에 비해 NSC 사출도 IPsilateral 반구에서 DCX 염색(red)을 증가시켰습니다.

주사 후 30d에서, NSC는 여전히 부상당한 피질에서 검출되었고, 그 중 일부는 신경교 마커 GFAP(도 6C)또는 성숙한 신경 마커 Tuj1(도 6D)의발현을 보여주었으며, 신경교 또는 신경 운명으로 분화하고, 부상당한 뇌에서 최대 1 개월까지 생존할 수 있는 외인성 NSC의 잠재력을 나타낸다.

Figure 1
그림 1: 주입 카테터의 회로도 설계. 복합용액 주입용 디자인 1과 세포 주입용 디자인 2의 설계를 소개합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: NSC 주사 및 수술 후크용 카테터 준비. (A)카테터 시공용 재료: MRE010, MRE025 및 MRE050 카테터는 각각 3cm, ~10-15cm, 3cm 길이로. (B)바늘 끝을 잘라 둔때까지 연마. (C)각 세그먼트를 연결하고 슈퍼 접착제로 고정한 다음 바늘 루어 잠금 장치와 MRE050 세그먼트를 에폭시에 포함하여 향상시합니다. (D)27 G 바늘 샤프트와 MRE025 카테터를 사용하여 수술 후크를 만드십시오. 규모 표시줄: 5mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: GFP (+) 신경 줄기 세포의 배양. (A)FITC 채널을 사용하여 형광 현미경을 가진 GFP (+) 배아를 식별한다. (B)신경구를 형성할 때까지 피질 NSC를 분리하고 배양한다. 스케일 바: 100 μm.(C)줄기 세포 마커 패널을 사용하여 신경권 특성을 검사합니다. 스케일 바: 50 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 마우스 또는 쥐에 단계별 중간 뇌 동맥 폐색 (MCAO) 뇌졸중 수술의 회로도 이미지. 자세한 수술 은 비디오를 참조하십시오. ICA, 내부 경동맥; ECA, 외부 경동맥; CCA, 일반적인 경동맥. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 마우스 또는 쥐에서 동맥 내 신경 줄기 세포 (NSC) 주입의 회로도 이미지. 자세한 수술 은 비디오를 참조하십시오. ICA, 내부 경동맥; ECA, 외부 경동맥; CCA, 일반적인 경동맥. 녹색 화살표는 주입 중 흐름 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 허혈성 뇌의 신경 줄기 세포 (NSC)의 분포, 생존 및 분화. (A)주사 후 1d에서 해마 내의 GFP(+) NSC 검출. 줄기 세포는 녹색 형광; 이중 코르틴 (DCX) 빨간색으로 표시된 면역 염색. 흰색 화살표는 DCX 식이 있는 GFP(+) NSC를 나타냅니다. (B)GFP(+) 세포 및 DCX 라벨세포의 회로도는 허혈-재퍼퓨전(I-R) 후 10d에서 샴 컨트롤(주입 없음) 및 차량(I-R) 또는 NSC(I-R+ NSC)가 주입된 마우스를 주입하였다. 허혈성 모욕의 지형은 마지막 회로도에서 묘사되며, 가볍고 어두운 주황색은 각각 허혈적 도전과 괴사 코어의 대상이되는 영역을 나타냅니다. 파란색 리본은 "분수령" 영역을 나타냅니다. 회색 사각형은(C)(D)의이미지가 촬영된 위치를 묘사합니다. (C,D) 외인성 NC는 전달 후 30d로 신경교포 운명(GFAP, C) 또는 뉴런 운명(Tuj1, D)으로 분화할 수 있다. NSC 주입 마우스에서, 생존GFP-NSC는 GFAP(C)또는 Tuj1(D)염색과 함께 시각화 및 공동화되는 동안, 차량 주입 (CD의차량)을 받은 뇌졸중 동물에서 FITC (GFP) 채널에서 중요한 신호가 관찰되지 않았다. 화살표는 2 채널의 오버레이를 나타냅니다. 스케일 바: 20 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

신경 질환에 대한 줄기 세포 치료는 여전히 초기 탐사 단계에 있습니다. 한 가지 주요 문제는 뇌에 SC 또는 NSC를 충분히 전달하기위한 확립 된 방법이 없다는 것입니다.

외인성 SC/NSC는 정맥(IV), 복막 내(IP) 또는 인트라파렌실/인트레이스렐 브레브렐 주사에 이어 뇌에서 검출될 수 있지만, 각 전달 접근법은 단점이 있다. 뇌 내의 검출 가능한 인구는 말초 주입 (IV 또는 IP)으로 매우 낮은 것으로 추정되며, 주입되거나 주입 된 세포의 작은 부분만 을 나타냅니다. 인트레이스테렐 주사는 매우 초점 분포를 산출하고,2직접 뇌 손상을 유도할 수 있다2,6,,77,8,,9,,10,,11,,12,,13. 따라서, 우리는 허혈성 뇌졸중 다음 NSC 납품을 위한 대안 방법으로 동맥 내 주입의 타당성을 시험했습니다. 이 방법은 뇌졸중 모욕 후 ipsilateral 대뇌 관류를 통해 NSC를 제공합니다. 뇌졸중 후 초기에 주입하는 경우, 외인성 NSC는 중단 된 혈액 뇌 장벽 (BBB)을 교차 할 수 있습니다, 뇌 전체에 걸쳐 광범위한 분포를 달성. 동맥 내 주입에 대한 한 가지 장점은 세포가 먼저 폐와 간과 같은 여과 기관의 풍부한 미세 순환을 통과하는 말초 전달 경로와 는 달리, 외인성 NSC가 뇌에 정착 할 수있는 가능성을 극대화, CNS 내에서 첫 번째 통과 효과를 활용한다는 것입니다.

여기에 설명된 동맥 내 접근법은 다재다능하며 다양한 유형의 전달 패러다임및 부상 또는 질병 모델을 수용할 수 있도록 조정할 수 있습니다. 현재 연구에서는 동맥 내 주사가 하나만 수행되지만, MRE025 카테터는 피하로 내장된 마이크로포트에 연결될 수 있으며, 이를 통해 동물은 반복적인 동맥 내 주사를 받을 수있다(12). 더욱이, 간단하고 단일 루멘 설계를 통해, 이 사출 방법은 용액12,,23에서시약의 전달에 사용될 수 있다. 다중 치료제의 전달이 필요한 경우, 이중 루멘 설계는 제2 약물 또는 화합물과 동시에 또는 순차적으로 초기 용액을 제공하는 데 활용될 수 있다. 신경변성 또는 외상성 뇌 손상의 설치류 모델에 대한 응용의 경우, 첫 번째 뇌졸중 수술이 필요하지 않은 경우, 마우스에 주사 카테터의 설치수술은 ECA(쥐와 동일한 프로토콜, 마우스의 경우 7.4단계의 주사부 및 속도를 적절히 조정함)에서 수행될 수 있으며, CCA를 통한 뇌혈류의 잠재적 방해를 피할 수 있다.

몇몇 단점과 이 동맥 주사의 잠재적인 불리 한 결과 고려 되어야 한다. 동물은 마취 또는 수술과 관련된 합병증의 가능성을 운반하는 두 번째 수술을받습니다. IPSilateral CCA를 통해 대뇌 혈류는 일시적 (몇 분 미만) 방해, 이는 CBF의 온화한 우울증의 또 다른 일시적인 에피소드를 유도 할 수 있습니다. 또한, BBB 교란 또는 개방은 치료 창을 제한하는 동맥 내 NSC 납품에 매우 중요합니다. 파일럿 연구에서, 거의 어떤 GFP (+) NSC 는 동맥 내 주입 후 순진한 뇌에서 검출 되었다. 그러나, 피험자가 높은 osmolality mannitol 또는 식염수 와 같은 BBB를 일시적으로 열 수 있는 약물을 견딜 수 있는 경우에, 이것은 나중에 NSC 주입을 위한 BBB 개방의 일시적인 창을 만드는 것을 이용할 수 있었습니다. 예비 연구에서, 우리는 뇌졸중 후 처음 6 시간 내에서 동맥 내 주사 혼자 뇌졸중으로 관찰 보다 더 높은 사망률 결과 발견. 이것은 첫번째 수술 후에 복구의 상대적으로 짧은 기간 후에 두 번째 침략적인 수술과 관련있을 수 있습니다. 대안적으로, 허혈성 모욕 후, 부상당한 뇌혈관염은 주입 후 발광 벽에 카테터, 추가 유체 적재, 또는 외인성 NSC의 부착과 같은 추가 자극에 대응하여 수축하는 경향이 더 높을 수 있다. 뇌졸중 후 NSC 납품에 관한 또 다른 합리적인 관심사는 NSC가 마이크로혈관을 더 가루하거나 방해하는 색전선을 형성할 수 있다는 것입니다. 이전 보고서와 합의8,,16,,24,우리는 마이크로 혈관에서 GFP (+) 색전의 중요한 증거를 찾을 수 없습니다, 우리는 GFP를 발견했지만 (+) 혈관 공간에서 NCS (Virchow-Robin 공간) 주입 후 초기에. 우리가 주입을 위한 시간 창을 최적화한 후에, 현재 연구 결과에서 차량 또는 NSC 주입을 수신한 치기 단 사이 합병증 또는 사망률에 있는 다름이 없었습니다. 따라서 제대로 설계된 동맥 내 NSC 주사는 신경 질환을 대상으로 하는 NSC 치료의 안전하고 효율적인 방법입니다.

성공적인 NSC 주입을 달성하고 동물 결과를 향상시키기 위하여는, 몇몇 양상은 치기 수술 또는 NSC 주입 도중 주의해서 취급되어야 합니다. 각막 보호 및 코어 온도 유지 보수와 같은 일반적인 외과 적 지원 및 치료가 실행되어야합니다. 여기에서 우리는 그들의 발생을 최소화하기 위하여 이 특정 한 수술 및 지도의 몇몇 잠재적인 합병증을 소개합니다.

미주 신경에 스트레스가있을 수 있습니다. 수술 하는 동안, 미주 신경 스트레칭 해서는 안, 분쇄, 리그 또는 자극. 미주 신경의 부수적 자극은 서맥, 심장 마비, 또는 죽음과 같은 부정맥을 유도할 수 있습니다.

합사의 부적절한 배치 또는 조임, 또는 혈관 클립의 잘못된 배치 또는 미끄러짐은 CCA (심장 출력에서) 또는 윌리스 원을 통해 말단 의 근접 끝에서 동맥 출혈을 초래할 수 있습니다. 각 단계에서 혈관 클립이나 매듭이 혈류를 가리기 위해 제대로 배치되었는지 확인합니다. 출혈이 발생하면 매듭이나 혈관 클립의 올바른 배치를 복원하십시오. 시야가 피로 흐려지면 CCA에 멸균 면봉의 끝을 넣고 혈류를 멈추기 위해 압력을 가합니다. 출혈로 인한 헤모글로빈은 동맥 절개를 막을 수 있습니다. 출혈이 멈춘 후, 매듭을 조이거나 혈관 클립을 올바른 위치에 놓고 시야에서 혈액을 청소하고 수술을 계속합니다.

카테터 삽입으로 인한 부상이나 합병증이 있을 수 있습니다. MRE010 팁을 45° 각도로 트리밍하여 혈관 손상을 유도하지 않고도 동맥에 작은 절개를 쉽게 입력할 수 있습니다. 드문 경우지만, 지나치게 날카로운 팁은 동맥을 관통하거나 지하 막과 튜니카 엑스테르나 사이의 공간에 들어갈 수 있다. 이러한 부상을 피하기 위해 동맥에 적절한 크기의 절개를하십시오. 카테터 팁의 진입을 허용할 수 있을 만큼 크지만 카테터 바깥쪽을 감싸기에 충분한 강도를 유지하는 동맥 둘레의 1/4-1/3 크기를 권장합니다. 절개가 너무 커서 절개 부위에서 동맥이 찢어질 수 있습니다. MRE010 카테터 팁을 부드럽게 안내하여 절개를 입력합니다. 카테터 팁의 진입이나 카테터의 전진을 강요하지 마십시오. 필요한 경우 날카로운 집게를 사용하여 절개 가장자리를 들어 올릴 수 있습니다. 카테터와 동맥이 거의 평행하도록 동맥에 비해 낮은 각도로 카테터를 진행합니다.

잠재적인 주사 관련 합병증도 있습니다. 동맥 내 주입에서 하나의 일반적인 합병증은 급성 심장 과부하 및 폐 부종으로 이어질 수있는 과도한 볼륨 로딩입니다. 신속한 사출율은 이러한 위험을 증폭시키고 선박 벽8에손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 속도와 총 볼륨을 모두 신중하게 제어해야 합니다. 5분 과 같은 짧은 기간 동안 사용할 때 쥐에게 일반적으로 안전한 20 μL/min을 권장합니다. 볼륨 과부하의 증상이 지적되는 경우, 예를 들어, 빠른, 얕은 호흡, nares에서 분홍색 거품, 또는 불안과 같은 비정상적인 운동, 주사를 중지하거나 중단해야하며, 동물은 복구 할 수 있습니다. 또 다른 합병증은 뇌혈관 시스템에서 NSC 색전증을 형성하는 것입니다. 현탁액은 세포 응집을 촉진하는 것으로 알려진 칼슘이나 마그네슘을 포함해서는 안됩니다. 색전을 유도의 기회를 줄이기 위해, NSC의 단일 세포 현탁액세포 클러스터의 부재를 확인 하기 위해 주입 직전에 현미경으로 검사 해야. 세포 클러스터가 존재하는 경우 단일 셀 서스펜션이 달성 될 때까지 멸균 1 mL 파이프로 적임.

이 연구는 마우스와 쥐에 대한 동맥 내 전달 접근법의 타당성을 확립하고 허혈성 뇌졸중의 맥락에서 NSC의 동맥 내 주입의 몇 가지 중요한 특징을 보여줍니다. 뇌완충종에서 생존하는 NSC의 상대적으로 초점 분포에 비해 전형적으로 대뇌 주사1,,7,,9,,11,,15,,16으로보고되며, 피질, 해마 및 줄무늬를 포함한 입실반구 전체에 분산 분포를 관찰했다. 따라서 동맥 내 전달은 뇌졸중뿐만 아니라 뇌 손상을 확산시키는 여러 상해 유형 또는 질병에 적합합니다. MCAO의 설정에서, NSC의 가장 높은 농도는 부상 사이트의 가장자리를 따라 발견되었다. 음혈구 영역에서 외인성 NSC의 밀도증가는 BBB의 재확립된 혈액 관류 및 개방으로부터의 부수적 흐름을 통해 본 지역에 대한 전달이 증가하고 손상된 영역으로 NSC를 이동시키기 때문일 수 있다. SC의 IV 전달은 확산 분포를 초래할 수 있지만, 뇌에 도달하는 세포의 수는 말초장기에의한 여과로 인해 전달된 총 세포의 작은 분수로 추정되며, 이는 부분적으로8,13. 뇌 전이에 대한 이전 연구에 기초하여12,동맥 내 주입 루시파아제 라벨 D122 종양 세포는 뇌 혈관에 정착하고 말초 장기보다는 뇌의 전이성 부위를 개발하기 위해 첫 번째 통과 효과를 이용하였다. 외인성 종양 세포로 인한 뇌 전이성 부위는 IVIS 이미징 시스템을 이용하여 1주 일찍 주입후 주사에 대한 뇌 ipsilateral에서 검출되어 두개골과 두피를 통해 생체 발광 신호를 검출하였다. 대조적으로, 간, 폐 및 근육과 같은 말초 기관에서 발광 신호(외인성 종양 세포와 관련된 종양 부담을 나타내는)는 동맥 내 주입 후 3-4주까지 검출되지 않았다. 따라서 유사한 시나리오에서 동맥 내 NSC 전달은 주변 장기에 비해 뇌로의 국소화를 크게 증가시키는 대뇌 순환의 첫 번째 통과 효과의 이점을 얻을 것으로 기대합니다.

직접 추적 주사는 손상된 뇌에 많은 세포를 전달하는 데 사용될 수 있지만, 접근 방식은 국소 신경 염증을 유발하는 parenchyma의 바늘 침투로 인한 세포 손상 또는 출혈을 초래하며, 잠재적으로 새로 전달된 세포의 생존 및 통합을 손상시키는14,,15,,16,,25,,26. NSC 납품을 위한 동맥 내 접근법은 이 국소화된 두뇌 손상 및 신경염증을,피하고, NSC3,8,9,9,14,24의장기 생존을 지원한다는 점에서 유리하다., 우리는 주입 후 최대 30 d 지점에서 부상당한 뇌에서 주입 된 GPF-NSC의 생존과 분화를 관찰했습니다. 우리는 성숙한 뉴런과 성상 세포로 분화한 NSC를 발견했지만, GFP-NSC에서 생성된 다양한 세포 유형의 상대적 분포와 만성 부상 후 기간으로 살아남는 비율을 결정하기 위해 상세한 연구가 필요합니다. 더 중요 한 것은, 생존 여부, 외인성 NSC 대뇌 네트워크를 재건 하 고 신경 기능을 변경 하는 구성 뇌 세포와 상호 작용할 수 있습니다 여전히 불분명 하 고 탐구 한다.

종합하면, 우리는 허혈성 뇌에 NSC를 전달하는 동맥 내 전달 방법을 소개하고, 허혈성 반구에서의 장기 생존과 신경 및 신경 세포 유형으로 분화하는 것을 보여줍니다. 동맥 내 전달 접근법은 수많은 종 및 CNS 부상 및 질병의 다중 모델에 적응할 수 있으며 다른 세포 유형 또는 단일 또는 다중 치료 화합물 또는 생물학적 제제의 전달에 사용될 수 있으며 신경 과학 커뮤니티에 광범위한 유틸리티를 제공합니다.

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Disclosures

없음.

Acknowledgments

이 연구는 다음과 같은 에 의해 지원되었다: AHA 상 14SDG20480186 LC에 대한, BZ에 대한 산시 대학의 주제 혁신 팀 2019-QN07, 켄터키 척수 및 머리 부상 연구 신뢰 부여 14-12A KES와 LC에 대한.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
20 G needle Becton & Dickinson BD PrecisionGlide 305175 preparation of injection catheter
26 G needle Becton & Dickinson BD PrecisionGlide 305111 preparation of injection catheter
27 G needle Becton & Dickinson BD PrecisionGlide 305136 preparation of injection catheter
4-0 NFS-2 suture with needle Henry Schein Animal Health 56905 surgery
6-0 nylon suture Teleflex/Braintree Scientific 104-s surgery
Accutase STEMCELL Technologies 7922 cell detachment solution
blade Bard-Parker 10 surgery
Buprenorphine-SR Lab ZooPharm Buprenorphine-SR Lab® analgesia (0.6-1 mg/kg over 3 d)
Calcium/magnisum free PBS VWR 02-0119-0500 NSC dissociation
DCX antibody Millipore AB2253 immunostaining
GFAP antibody Invitrogen 180063 immunostaining
Isoflurane Henry Schein Animal Health 50562-1 surgery
MCAO filament for mouse Doccol 702223PK5Re surgery
MCAO filament for rat Doccol 503334PK5Re surgery
MRE010 catheter Braintree Scientific MRE010 preparation of injection catheter
MRE025 catheter Braintree Scientific MRE025 preparation of injection catheter
MRE050 catheter Braintree Scientific MRE050 preparation of injection catheter
Nu-Tears Ointment NuLife Pharmaceuticals Nu-Tears Ointment eye care during surgery
S&T Forceps - SuperGrip Tips JF-5TC Angled Fine Science Tools 00649-11 surgery
S&T Forceps - SuperGrip Tips JF-5TC Straight Fine Science Tools 00632-11 surgery
Superglue Pacer Technology 15187 preparation of injection catheter
syringe pump Kent Scientific GenieTouch surgery
Tuj1 antibody Millipore MAb1637 immunostaining
two-component 5 minute epoxy Devcon 20445 preparation of injection catheter
Vannas spring scissors Fine Science Tools 15000-08 surgery
vascular clamps Fine Science Tools 00400-03 surgery
Zeiss microscope Zeiss Axio Imager 2 microscopy

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