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Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 803 (2022) Citare questo articolo

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Le aspettative per il trapianto di cellule staminali/progenitrici neurali (NS/PC) come trattamento per le lesioni del midollo spinale (SCI) sono in aumento. Tuttavia, rimane sconosciuto se e come le cellule innestate siano incorporate nel circuito neurale dell'ospite e contribuiscano al recupero della funzione motoria. Lo scopo di questo progetto era quello di creare un nuovo sistema di imaging in vivo non invasivo per visualizzare l'attività degli innesti neurali mediante il quale possiamo dimostrare simultaneamente l'integrazione a livello di circuito tra l'innesto e l'ospite e il contributo dell'attività neuronale dell'innesto al comportamento dell'ospite . Abbiamo introdotto Akaluc, una luciferasi di nuova ingegneria, sotto il controllo dell'elemento di risposta all'attività sinaptica potenziata (E-SARE), un potente promotore sintetico dipendente dall'attività neuronale, in NS/PC e innestato le cellule in topi modello SCI. Attraverso l'uso di questo sistema, abbiamo scoperto che l'attività delle cellule innestate era integrata con il comportamento dell'ospite e guidata dagli input del circuito neurale dell'ospite. Si prevede che questo sistema non invasivo contribuirà a chiarire il meccanismo terapeutico del trattamento di trapianto cellulare per la SCI.

La lesione del midollo spinale (SCI) provoca gravi disfunzioni neurologiche, tra cui paralisi motoria, sensoriale e autonomica. Negli ultimi anni sono stati fatti molti tentativi per sviluppare terapie di trapianto cellulare per promuovere la rigenerazione del midollo spinale danneggiato. Le cellule staminali/progenitrici neurali (NS/PC) rappresentano alcune delle risorse più promettenti per tali terapie1,2,3. Sono stati suggeriti diversi meccanismi sottostanti putativi, inclusa la sostituzione cellulare mediante neuroni, astrociti e oligodendrociti derivati ​​da NS/PC innestati; supporto trofico; e rimielinizzazione assonale4,5,6. Inoltre, diversi studi hanno proposto che gli innesti di NS/PC possano formare relè neuronali attraverso i siti di transezione spinale7,8,9, cioè combinare l'input dalla parte rostrale dell'ospite all'innesto e l'output dall'innesto alla parte caudale; si ritiene che questi processi svolgano un ruolo importante nel recupero funzionale. Tuttavia, non è stata effettuata una caratterizzazione dettagliata del relè neuronale e il modo in cui l'innesto si integra funzionalmente nel circuito neurale dell'ospite è poco compreso. Ciò è dovuto principalmente al fatto che nessuna tecnologia attuale può monitorare direttamente le relazioni tra l'attività delle cellule trapiantate e i comportamenti e le attività a livello di circuito dell'ospite. Per chiarire la coordinazione funzionale ospite-innesto e valutare come l'innesto influenza l'attività del circuito neurale dell'ospite e il comportamento dell'ospite, è necessaria una nuova tecnica di imaging in vivo non invasiva per monitorare l'attività dei neuroni dell'innesto nel tempo all'interno dell'ospite vivente.

Per realizzare un tale sistema di monitoraggio in vivo, ci siamo concentrati su due nuove tecnologie. Il primo è stato il sistema AkaBLI (una combinazione dell'enzima AkaLuc e AkaLumine-HCl come substrato ad alta permeabilità)10,11. L'imaging di bioluminescenza (BLI) è un metodo non invasivo per misurare l'emissione di luce dalle cellule che esprimono l'enzima luciferasi dopo la somministrazione di luciferina (substrato) negli animali vivi12. AkaBLI è un sistema BLI con spostamento verso il rosso di nuova concezione che produce spettri di emissione luminosi e consente l'imaging dei tessuti profondi negli animali viventi10, che è il più appropriato per il monitoraggio non invasivo ad ampio campo dell'espressione genica dalle cellule trapiantate nei midolli spinali feriti. Il secondo era l'elemento di risposta all'attività sinaptica potenziata (E-SARE), un potente promotore sintetico dipendente dall'attività neuronale13. Quando un neurone diventa attivo, attiva i geni precoci immediati (IEG), come Fos, Arc ed Egr1, anche nei neuroni del midollo spinale, e i promotori/potenziatori degli IEG vengono utilizzati come sistemi reporter dipendenti dall'attività14,15. Tra questi promotori c'è il promotore sintetico E-SARE, che si basa sull'elemento potenziatore SARE del promotore Arc e guida un'espressione genica dipendente dall'attività neuronale significativamente superiore a quella di qualsiasi altro promotore IEG esistente.