Mesenchymal Stem Cells Therapy in Progressive Rat Model of Parkinson's Disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is a common progressive neurodegenerative disorder caused by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN). In present study, we investigated the effect of human mesenchymal stem cells (hMSCs) therapy in vitro and progressive SD rat model of PD using MG-132, proteasome inhibitor. Immunocytochemical analyses in primary mesencephalic culture revealed that hMSC treatment increased dopaminergic neuronal survival compared to dopaminergic neuronal death in MG-132 treatment. Additionally, hMSCs treatment showed that there was a significant reduction of increased caspase 3 activity following MG-132 treatment. In Rats received systemic injection of MG-132, quantification of the extent of neuronal loss assessed by stereological analysis revealed that TH+ positive cell loss was 23% ± 7.2% ( p <0.05, n=5 per group) at 8 weeks, 70 ± 9.5 at 10 weeks (p <0.01, n=5 per group), and 92 ± 7.2 at 13 weeks (p <0.01, n=5 per group). hMSCs treatment dramatically reduced a decline in the number of TH-immunoreactive cells in the SN of MG-132-treated rats, showing approximately 50% increase of survival in TH-immunoreactive cells in the SN compared to only MG-132-treated group (p<0.05). Additionally, hMSC treatment in MG-132-treated rats revealed that increased OX-42 immunoreactivity induced by MG-132 was markedly decreased. Histological analysis showed that the number of NuMA-positive cells was 1.7% of total injected hMSCs and the number of cell double-stained with NuMA and TH was 35.7 % of NuMA-positive cells. In addition, these cells seem to have a functional characteristic of neurons, demonstrating triple-stained with NuMA, TH, and synaptophysin. Behavioral analysis revealed that hMSC treatment in MG-132-treated rats had a tendency of increase in mean stay time on the rod at a 25 rpm (p<0.1). In conclusion, we have shown that hMSC treatment have a protective effect of dopaminergic neuronal cell death induced by MG-132 in vitro and in vivo. Complex mechanisms mediated by trophic effect of hMSCs and differentiation of hMSCs into functional TH-positive neurons may work in the neuroprotective process of hMSCs. In addition, neuroprotective strategies of hMSCs in this study may be clinically applicable.

파킨슨 씨 병은 흑색질 안에 도파민 세포의 감소가 원인이 되는 진행성 신경 퇴화병이다. 현재 우리의 실험에선, 단백질 분해 억제제인 MG 132 를 이용하여 파킨슨 씨 병의 진행성 신경퇴화 랫트 동물 모델과 세포 모델을 만든 후 human mesenchymal stem cells (hMSCs) 치료제의 효과를 확인하였다. 중뇌 신경 세포의 면역화학염색법을 이용하여 MG-132 만을 첨가한 그룹과 hMSCs 를 함께 첨가한 그룹을 비교하였을 때 hMSCs 를 첨가한 그룹의 세포 사멸이 감소한 것을 확인하였다. 또한 MG-132 만을 첨가한 그룹에서는 caspase-3 의 활성이 증가하였는데 hMSCs 를 첨가한 그룹에서는 caspase-3 의 활성이 감소하였다. MG-132 만를 투여한 동물 모델들의 신경 세포는 8 주 때 23% ± 7.2%, 10 주 때 70 ± 9.5, 13 주 때 92 ± 7.2 로 진행성 있게 감소하였다. hMSCs 를 반복적으로 정맥에 투여 후에 흑색질의 도파민 세포의 감소는 MG 132 만 투여한 그룹에 비해 50% 정도 줄어들었고 운동성은 증가하였다. hMSCs 를 투여한 그룹에서 염증반응의 활성화 감소를 확인하기 위해 OX-42 항체를 이용한 면역화학염색결과 피질의 마이크로글리아의 활성화가 매우 감소되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 면역염색법을 통해 흑색질 안에 hMSCs 마커인 NuMA positive 세포가 hMSCs 총량의 1.7%가 확인됨으로써 hMSCs 의 존재를 확인하였고, 도파민 세포 마커인 tyrosine hydroxylase 와 NuMA 의 merge 되는 세포가 NuMA-positive 세포 총량의 35.7%가 확인됨으로써 hMSCs 는 흑색질에서 도파민 세포로 분화 된다는 것을 보여주였다. 추가로 이 세포들의 기능적인 면도 TH, NuMA, synaptophysin 의 merge 를 보여주는 면역염색실험과 행동분석실험을 통해 확인하였다. 결론적으로, hMSCs 의 trophic effect 와 기능성이 있는 도파민 세포로 분화되는 것은 MG-132 로 인한 도파민 세포의 사멸을 보호하는 역할일 것이고, 추가로, 우리가 밝힌 hMSCs 의 이 세포 보호 작용은 임상 적용 치료제로 가능할 것을 시사한다.