척수손상 유발견에서 자가 및 동종이계 골수유래 중간엽 줄기세포 이식효과 비교 = (A)comparison of autologous and allogenic bone marrow-derived mesenchymal stem cell transplantation in canine spinal cord injury

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to compare the therapeutic effect of autologous and allogenic bone-marrow derived mesenchymal stem cell transplantation in canine SCI.
Thirty adult Beagle dogs were divided into 3 groups of 10 dogs each as follows: 1) Control group; no MSC transplantation after SCI, 2) Autologous group; autologous MSC transplantation after SCI, 3) Allogenic group; allogenic MSC transplantation after SCI. Five dogs in each group were euthanized at 2 weeks after SCI, and the other 5 dogs in each group were euthanized at 5 weeks after SCI. Prelabeled MSCs were transplanted into the injured lesion at a density of 1 × 107 cells by intrathecal injection into the lumbar spinal cord 7 days after SCI.
On behavioral analysis, dogs receiving autologous and allogenic MSC transplantation showed improved neurological function in their pelvic limbs after SCI in comparison with those that did not receive MSC transplantation after SCI. At 5 weeks after SCI, the Olby score of dogs in control, autologous, and allogenic group were 0.2 ± 0.44, 5.4 ± 0.54, and 3.2 ± 0.83, respectively. Moreover, the valuable efficient of autologous and allogenic MSC transplantation were also identified in MRI results. The CSF analysis results from autologous group showed no remarkable findings. Whereas, the number of mononucleated cells in CSF was increased after allogenic MSC transplantation. Histopathological findings showed that autologous and allogenic MSC transplantation reduced cystic cavity formation after crushing damages in spinal cord compared to control group. On immunofluorescence analysis, prelabeled autologous and allogenic MSCs were detected on the injured lesion both at 1 and 4 weeks after transplantation. However, the distribution ratio of transplanted allogenic MSCs on injured area was significantly decreased at 4 weeks after transplantation. The results of expression of the mRNA species encoding for neurotrophic factors indicated that SDF-1, VEGF, and TGF-β expression levels in autologous and allogenic groups were significantly higher than in control groups.
Although autologous MSC transplantation showed more therapeutic effect than that of allogenic MSC transplantation, it was obvious that transplantation of allogenic bone marrow-derived MSCs improved functional recovery of the spinal cord in dogs after severe SCI. This study indicates that both autologous and allogenic MSC transplantation could be clinically useful therapeutic approaches for treating severe SCI.

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 척수손상 유발견에서 자가 및 동종이계 골수유래 중간엽 줄기세포 이식 후 치료 효과를 비교 연구하는 것이다.
30 마리의 비글견들을 본 실험에 사용하였고 실험군은 3군 (대조군, 자가 줄기세포군, 동종이계 줄기세포군)으로 나누었으며 각 군에 비글견 10마리를 배정하였다. 대조군은 척수 손상 후 중간엽 줄기세포를 이식하지 않았으며, 자가 줄기세포군과 동종이계 줄기세포군은 척수손상 후 각각 자가 및 동종이계 골수유래 중간엽 줄기세포를 이식하였다. 각 군에서 5마리는 척수손상 2주 후 안락사를 실시했으며, 나머지 5마리는 척수손상 5주 후 안락사를 실시하였다. 척수손상 7일 후, 표지물질을 염색한 1 × 10^(7) 개의 중간엽 줄기세포를 요추부에서 수막 공간 내로 주입하여 이식하였다.
행동학적 평가에서 척수손상 후 자가 및 동종이계 중간엽 줄기세포를 이식한 경우 이식하지 않은 경우보다 후지의 신경학적 기능이 향상되었다. 척수손상 5주 후, 대조군, 자가 줄기세포군, 동종이계 줄기세포군 실험견들의 올비 스코어(the Olby score)는 각각 0.2 ± 0.44, 5.4 ± 0.54, 그리고 3.2 ± 0.83 이었다. 또한 자기공명영상 결과에서도 자가 및 동종이계 중간엽 줄기세포 이식의 유의한 효과를 관찰할 수 있었다. 자가 줄기세포군의 뇌척수액 검사에서는 특이소견이 없었지만, 동종이계 줄기세포군에서는 이식 후 뇌척수액에서 단핵구들의 증가 소견을 보였다. 조직병리학적 검사에서는 대조군에 비해 자가 및 동종이계 줄기세포 군에서 척수의 압착 손상 후 공동 형성 부분의 크기가 감소하였다. 면역형광항체 검사에서 표지물질을 염색한 자가 및 동종이계 줄기세포들이 이식 1주와 4주 후에서 모두 척수 손상 부위에서 관찰이 되었으나, 이식 4주 후 동종이계 줄기세포의 손상 부위 내 분포율이 크게 감소하였다. 신경작용성 인자들의 발현에 관한 검사 결과, SDF-1, VEGF, 그리고 TGF-β의 발현이 대조군에 비해 자가 및 동종이계 줄기세포군에서 유의하게 증가하였다.
결론적으로 자가 중간엽 줄기세포 이식이 동종이계 중간엽 줄기세포 이식보다 더 효과적이었지만, 동종이계 중간엽 줄기세포 이식도 심한 척수손상 후 기능적인 회복에 효과적임을 알 수 있었다. 따라서, 자가 및 동종이계 중간엽 줄기세포 이식은 심한 척수 손상을 치료하는 것에 있어서 임상적으로 유용한 치료법으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• INTRODUCTION = 5
• MATERIALS AND METHODS = 9
• Animals = 9
• Mesenchymal stem cell (MSC) isolation and cultivation from canine bone marrow = 9
• Flow-cytometric determination of the cell-surface antigen profile = 12
• Differentiation protocols = 12
• SCI model = 14
• Transplantation of MSCs after SCI = 17
• Behavioral analysis based on the Olby score = 18
• MRI = 18
• CSF analysis = 19
• Postmorterm examination, histopathological and immunohistoche-mical analysis = 19
• Neurotrophic factor expression in the SCI lesion = 21
• Statistical analysis = 22
• RESULTS = 26
• Characterization of canine MSCs = 26
• Osteogenic differentiation of canine MSCs = 29
• Neuronal differentiation of canine MSCs = 31
• Behavioral analysis based on the Olby score = 36
• MRI analysis = 38
• CSF analysis = 41
• Postmorterm examination, histopathological and immunohistoche-mical analysis = 43
• Neurotrophic factor expression in the SCI lesion = 58
• DISCUSSION = 61
• CONCLUSION = 68
• 국문요약 = 69
• REFERENCES = 71