Neurons grown from embryonic stem cells restore function in paralyzed rats

June 20 2006 | ALS Research

For the first time, researchers have enticed transplants of embryonic stem cell-derived motor neurons in the spinal cord to connect with muscles and partially restore function in paralyzed animals. The study suggests that similar techniques may be useful for treating such disorders as spinal cord injury, transverse myelitis, amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and spinal muscular atrophy. The study was funded in part by the NIH's National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS).

The researchers, led by Douglas Kerr, M.D., Ph.D., of The Johns Hopkins University School of Medicine, used a combination of transplanted motor neurons, chemicals capable of overcoming signals that inhibit axon growth, and a nerve growth factor to attract axons to muscles. The report is published in the July 2006 issue of Annals of Neurology.*

"This work is a remarkable advance that can help us understand how stem cells might be used to treat injuries and disease and begin to fulfill their great promise. The successful demonstration of functional restoration is proof of the principle and an important step forward. We must remember, however, that we still have a great distance to go," says Elias A. Zerhouni, Director of the National Institutes of Health.

"This study provides a 'recipe' for using stem cells to reconnect the nervous system," says Dr. Kerr. "It raises the notion that we can eventually achieve this in humans, although we have a long way to go."

In the study, Dr. Kerr and his colleagues cultured embryonic stem cells from mice with chemicals that caused them to differentiate into motor neurons. Just before transplantation, they added three nerve growth factors to the culture medium. Most of the cells were also cultured with a substance called dibutyrl cAMP (dbcAMP) that helps to overcome axon-inhibiting signals from myelin, the substance that insulates nerve fibers in the spinal cord.

The cells were transplanted into eight groups of paralyzed rats. Each group received a different combination of treatments. Some groups received injections of a drug called rolipram under the skin before and after the transplants. Rolipram, a drug approved to treat depression, helps to counteract axon-inhibiting signals from myelin. Some animals also received transplants of neural stem cells that secreted the nerve growth factor GDNF into the sciatic nerve (the sciatic nerve extends from the spine down the back of the hind leg). GDNF causes axons to grow toward it.

Three months after the transplants, the investigators examined the rats for signs that the stem cell-derived neurons had survived and integrated with the nervous system. The rats that had received the full cocktail of treatments – transplanted motor neurons, rolipram, dbcAMP, and GDNF-secreting neural stem cells in the sciatic nerve – had several hundred transplant-derived axons extending into the peripheral nervous system, more than in any other group. The axons in these animals reached all the way to the gastrocnemius muscle in the lower leg and formed functional connections, called synapses, with the muscle. The rats showed an increase in the number of functioning motor neurons and an approximately 50 percent improvement in hind limb grip strength by 4 months after transplantation. In contrast, none of the rats given other combinations of treatments recovered lost function.

"We found that we needed a combination of all of the treatments in order to restore function," Dr. Kerr says.

Follow-up experiments with GDNF treatment on only one side of the body showed that, by 6 months after treatment, 75 percent of rats given the full combination of treatments regained the ability to bear weight on the GDNF-treated limbs and to take steps and push away with the foot on that side of the body.

"This research represents significant progress," says David Owens, Ph.D., the NINDS program director for the grant that funded the work. "It is a convergence of embryonic stem cell research with other areas of research that we've funded, including work that uses combination therapies such as rolipram and dbcAMP, growth factors, and cells to facilitate the repair of the injured spinal cord."

Previous studies have shown that stem cells can halt spinal motor neuron degeneration and restore function in animals with spinal cord injury or ALS. However, this study is the first to show that transplanted neurons can form functional connections with the adult mammalian nervous system, the researchers say. They used both electrophysiological and behavioral studies to verify that the recovery was due to connections between the peripheral nervous system and the transplanted neurons.

"We've previously shown that stem cells can protect at-risk neurons, but in ongoing neurodegenerative diseases, there is a very small window of time to do so. After that, there is nothing left to protect," says Dr. Kerr. "To overcome the loss of function, we need to actually replace lost neurons."

While these results are promising, much work remains before a similar strategy could be tried in humans, Dr. Kerr says. The therapy must first be tested in larger animals to determine if the nerves can reconnect over longer distances and to make sure the treatments are safe. There currently is no large-animal model for motor neuron degeneration, so Dr. Kerr's group is working to develop a pig model. Researchers also need to test human embryonic stem cells to learn if they will work in the same way as the mouse cells. It has only recently become possible to grow motor neurons from human embryonic stem cells, Dr. Kerr adds. However, if the future studies go well, this type of therapy might eventually be useful for spinal muscular atrophy, ALS, and other motor neuron diseases.

*Deshpande D, Kim YS, Martinez T, Carmen J, Dike S, Shats I, Rubin L, Drummond J, Krishnan C, Hoke A, Maragakis N, Shefner J, Rothstein J, Kerr D. "Recovery from Paralysis in Adult Rats Using Embryonic Stem Cells." Annals of Neurology, July 2006, Vol. 60, No. 1, pp. 22-34.

Fonte: Ride For Life.

Por: Normando Oliveira.

                                                  Tradutor on line

Os neurônios crescidos das pilhas de haste embryonic restauram a função em ratos paralizados  Junho 20 2006 | pesquisa de ALS       

Para a primeira vez, os investigadores seduziram transplants haste embryonic dos neurônios pilha-derivados do motor no cabo spinal para conectar com os músculos e para restaurar parcialmente a função em animais paralizados. O estudo sugere que as técnicas similares podem ser úteis para tratar disorders como ferimento do cabo spinal, o myelitis transversal, o sclerosis de lateral amyotrophic (ALS), e o atrophy muscular spinal. O estudo foi financiado na parte pelo instituto nacional do NIH de Disorders Neurological e pelo curso (NINDS).    Os investigadores, conduzidos por Douglas Kerr, M.D., Ph.D., da escola da universidade de Johns Hopkins da medicina, usaram uma combinação dos neurônios transplanted do motor, dos produtos químicos capazes de superar os sinais que inibem o crescimento do axon, e de um fator do crescimento do nervo atrair axons aos músculos. O relatório é publicado na introdução de julho 2006 dos Annals de Neurology.*    “Este trabalho é um avanço notável que possa nos ajudar compreender como as pilhas de haste puderam ser usadas tratar os ferimentos e a doença e começar a cumprir sua promessa grande. A demonstração bem sucedida da restauração funcional é prova do princípio e de uma etapa importante para diante. Nós devemos recordar, entretanto, que nós temos ainda uma distância grande a ir,” diz Elias A. Zerhouni, diretor dos institutos nacionais da saúde.    “Este estudo fornece “uma receita” para usar pilhas de haste reconectar o sistema nervoso,” diz o Dr. Kerr. “Levanta a noção que nós podemos eventualmente conseguir este nos seres humanos, embora nós tenhamos o uma grande distância a percorrer.”    No estudo, o Dr. Kerr e seus colegas cultivaram pilhas de haste embryonic dos ratos com produtos químicos que fizeram com que se diferenciassem nos neurônios do motor. Imediatamente antes do transplantation, adicionaram três fatores do crescimento do nervo ao meio de cultura. A maioria das pilhas foram cultivadas também com uma substância chamada o acampamento do dibutyrl (dbcAMP) esse ajudas para superar sinais axon-inibindo do myelin, a substância que isola fibras do nervo no cabo spinal.    As pilhas transplanted em oito grupos de ratos paralizados. Cada grupo recebeu uma combinação diferente dos tratamentos. Alguns grupos receberam injeções de uma droga chamada o rolipram sob a pele before and after os transplants. Rolipram, uma droga aprovou para tratar o depression, ajudas para neutralizar sinais axon-inibindo do myelin. Alguns animais receberam também transplants das pilhas de haste neural que secreted o fator GDNF do crescimento do nervo no nervo sciatic (o nervo sciatic estende do spine abaixo a parte traseira do pé hind). GDNF faz com que os axons cresçam para ele.    Três meses depois que os transplants, os investigators examinaram os ratos para sinais que a haste pilha-se derivou os neurônios tinham sobrevivido e tinham integrado com o sistema nervoso. Os ratos que tinham recebido o cocktail cheio dos tratamentos - neurônios transplanted, rolipram, dbcAMP, e GDNF-secreting do motor pilhas de haste neural no nervo sciatic - tiveram diverso cem axons transplant-derivados estender no sistema nervoso periférico, mais do que em qualquer outro grupo. Os axons nestes animais alcançaram toda a maneira ao músculo do gastrocnemius no pé mais baixo e deram forma às conexões funcionais, chamadas sinapses, com o músculo. Os ratos mostraram um aumento no número dos neurônios funcionando do motor e de uns aproximadamente 50 por cento da melhoria na força de aperto hind do membro por 4 meses após o transplantation. No contraste, nenhuns dos ratos dados outras combinações dos tratamentos recuperaram função perdida.    “Nós encontramos que nós necessitamos uma combinação de todos os tratamentos a fim restaurar a função,” o Dr. Kerr dizemos.    As experiências da continuação com tratamento de GDNF em somente um lado do corpo mostraram que, por 6 meses após o tratamento, 75 por cento dos ratos dados a combinação cheia dos tratamentos regained a abilidade de carregar o peso nos membros GDNF-tratados e de fazer exame de etapas e as empurrar afastado com o pé nesse lado do corpo.    “Esta pesquisa representa o progresso significativo,” diz David Owens, Ph.D., diretor do programa de NINDS para a concessão que financiou o trabalho. “É uma convergência da pesquisa embryonic da pilha de haste com outras áreas de pesquisa que nós financiamos, including o trabalho que usa terapias da combinação tais como o rolipram e o dbcAMP, os fatores do crescimento, e as pilhas facilitar o reparo do cabo spinal ferido.”    Os estudos precedentes mostraram que as pilhas de haste podem parar o degeneration spinal do neurônio do motor e restaurar a função nos animais com ferimento do cabo spinal ou o ALS. Entretanto, este estudo é o primeiro para mostrar que os neurônios transplanted podem dar forma a conexões funcionais com o sistema nervoso mammalian do adulto, os investigadores diz. Usaram-se estudos electrophysiological e behavioral verificar que a recuperação era devido às conexões entre o sistema nervoso periférico e os neurônios transplanted.    “Nós temos mostrado previamente que as pilhas de haste podem proteger os neurônios do em-risco, mas em doenças neurodegenerative ongoing, há uma janela muito pequena da hora de fazer assim. Após aquele, não há nada à esquerda proteger,” diz o Dr. Kerr. “Para superar a perda da função, nós necessitamos substituir realmente os neurônios perdidos.”    Quando estes resultados forem prometedores, muito remains antes que uma estratégia similar poderia ser tentada nos seres humanos, Dr. Kerr do trabalho disse. A terapia deve primeiramente ser testada em animais maiores para determinar se os nervos puderem reconectar distâncias mais longas excedentes e para se certificar os tratamentos ser seguro. Não há atualmente nenhum modelo do grande-animal para o degeneration do neurônio do motor, assim que o grupo do Dr. Kerr está trabalhando para desenvolver um modelo do porco. Os investigadores necessitam também testar pilhas de haste embryonic humanas para aprender se trabalharem na mesma maneira que as pilhas do rato. Tem-se tornado somente recentemente possível crescer os neurônios do motor das pilhas de haste embryonic humanas, Dr. Kerr adiciona. Entretanto, se os estudos futuros fossem bem, este tipo de terapia pôde eventualmente ser útil para o atrophy muscular spinal, o ALS, e as outras doenças do neurônio do motor.    *Deshpande D, Kim YS, Martinez T, motoristas de caminhoneta J, Dike S, Shats I, Rubin L, Drummond J, Krishnan C, Hoke A, Maragakis N, Shefner J, Rothstein J, Kerr D. “recuperação do Paralysis em ratos do adulto usando pilhas de haste Embryonic.” Annals do Neurology, julho 2006, Vol. 60, No. 1, pp. 22-34.