Modello di impatto corticale controllato di lesioni cerebrali del topo con trapianto terapeutico di cellule neurali derivate da cellule staminali indotte dall'uomo

Lesione cerebrale traumatica (TBI) è un termine generale per la lesione acquisita al cervello a causa di forze meccaniche indirette (accelerazione/decelerazione rotazionale o contro-colpo) da colpi alla testa o danni diretti da oggetti o onde di scoppio. La TBI è stata stimata essere la causa di circa il 9% dei decessi a livello mondiale e osservata in circa 50 milioni di casi all’anno^1,2. Un rapporto del 2017 dei Centers for Disease Control and Prevention ha stimato che nel 2013 ci sono stati 2,8 milioni di visite ospedaliere e decessi dovuti a TBI negli Stati Uniti³. Molti TBI più lievi non vengono segnalati ogni anno. La TBI grave può portare a una compromissione permanente della cognizione, della funzione motoria e della qualità generale della vita. Le conseguenze del lieve TBI, in particolare il TBI sportivo ripetitivo, sono state apprezzate solo di recente per i loro insidiosi effetti sulla salute^4,5.

La modellazione preclinica è una componente vitale dello sviluppo di nuove intuizioni meccanicistiche e di una potenziale terapia rigenerativa per la TBI. Il modello a impatto corticale controllato (CCI) di TBI è un modello a testa aperta di lesioni da contusione meccanica alla corteccia. I parametri di impatto possono essere modificati per produrre lesioni CCI che vanno da lievi a⁶. Le lesioni CCI sono focali piuttosto che diffuse, come si è visto con altri modelli a testa chiusa di TBI. CCI può essere eseguito per indurre una lesione unilaterale, in modo tale che la corteccia contralaterale può servire come un comparatore interno. Questo protocollo dimostra le caratteristiche di un CCI lieve a una porzione della corteccia che comprende le regioni somatosensoriali e motorie primarie. Questa zona corticale è stata scelta per il suo coinvolgimento nei comportamenti sensomotori per i quali numerosi test di comportamento possono rilevare deficit indotti da lesioni⁷. Miglioramenti comportamentali dovuti a interventi terapeutici per la TBI possono essere rilevati, pure.

Un segno distintivo della TBI è diffusa disfunzione neurale nella regione ferita. I neuroni feriti subiscono la morte cellulare, e la connettività della rete neuronale viene interrotta^8,9. La TBI interrompe il reclutamento di cellule staminali endogene, il che porta a ulteriori deficit di comportamento a valle^10,11.  Il trapianto di cellule staminali neurali e cellule derivate da cellule staminali è stato esplorato come una possibilità per ripristinare la funzione nel cervello ferito. Oltre al potenziale per ripristinare i circuiti neurali danneggiati, le cellule trapiantate esercitano effetti paracrini che promuovono la sopravvivenza neuronale e il recupero funzionale da TBI¹². Una varietà di tipi di cellule sono stati trapiantati preclinicamente per valutare il loro potenziale rigenerativo in modelli di disturbi neurologici^13,14,15. La recente divulgazione della tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotta¹⁶ ha facilitato lo sviluppo di numerose linee di cellule staminali umane per uso sperimentale. Il test preclinico con cellule derivate da hiPSC è un primo passo importante per caratterizzare la potenziale efficacia terapeutica di una data linea cellulare contro le malattie umane. Questo laboratorio ha sviluppato protocolli per differenziare gli hiPSC ai fenotipi neurali¹⁷ alla ricerca di cellule trapiantate per aiutare il recupero da lesioni cerebrali traumatiche.

Gli esperimenti in questo protocollo utilizzano un CCI unilaterale per indurre la TBI alla corteccia somatosensoriale e motoria sinistra dei topi adulti. Una lieve lesione CCI si traduce in un deficit funzionale sostenuto nella pedina destra che viene utilizzato per monitorare gli effetti dell’innesto di cellule neurali derivato da hiPSC sul recupero funzionale. Il forepaw sensorimotor testing in questo protocollo è stato adattato dalla metodologia stabilita da Bouet e colleghi¹⁸ e dimostrato in precedenza da Fleming e colleghi¹⁹.  Questo protocollo delinea un flusso di lavoro completo per l’esecuzione di una lesione cerebrale sperimentale, il trapianto terapeutico di cellule hiPS e l’analisi comportamentale e istologica delle misure di esito sperimentale.