Stable single-unit recordings from the nervous system using microelectrode arrays can have significant implications for the treatment of a wide variety of sensory and movement disorders. However, the long-term performance of the implanted neural electrodes is compromised by the formation of glial scar around these devices, which is a typical consequence of the inflammatory tissue reaction to implantation-induced injury in the CNS. The glial scar is inhibitory to neurons and forms a barrier between the electrode and neurons in the surrounding brain tissue. Therefore, to maintain long-term recording stability, reactive gliosis and other inflammatory processes around the electrode need to be minimized. This work has succeeded in the development of neural electrode coatings that are capable of sustained release of anti-inflammatory agents while not adversely affecting the electrical performance of the electrodes. The effects of coating methods, initial drug loadings on release kinetics were investigated to optimize the coatings. The physical properties of the coatings and the bioactivity of released anti-inflammatory agents were characterized. The effect of the coatings on the electrical property of the electrodes was tested. Two candidate anti-inflammatory agents were screened by evaluating their anti-inflammatory potency in vitro. Finally, neural electrodes coated with the anti-inflammatory coatings were implanted into rat brains to assess the anti-inflammatory potential of the coatings in vivo. This work represents a promising approach to attenuate astroglial scar around the implanted silicon neural electrodes, and may provide a promising strategy to improve the long-term recording stability of silicon neural electrodes.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol. inst., 2002. / Härtill 6 uppsatser.

Astrócitos são células gliais com fundamental importância no sistema nervoso central (SNC), tanto em condições fisiológicas quanto patológicas. Estas células são essenciais na plasticidade neural, no metabolismo de neurotransmissores, na defesa antioxidante, na regulação do metabolismo energético, na homeostase iônica, na resposta inflamatória, na manutenção da barreira sangue-cérebro, na migração neuronal e na estabilização da comunicação entre as células. Assim, alterações em funções astrocitárias (como as que ocorrem no envelhecimento) estão relacionadas a importantes alterações na funcionalidade cerebral. Desta forma, esta tese teve por objetivo demonstrar que a cultura de astrócitos derivada de ratos Wistar adultos, desenvolvida e caracterizada pelo nosso grupo de pesquisa, pode ser um modelo de estudo fidedigno e versátil das propriedades celulares astrocitárias. Nossos resultados apontam que esta metodologia pode ser utilizada para elucidar o perfil de aminoácidos e gliotransmissores assim como da atividade enzimática glial e gerenciamento de neurotransmissores. Também demonstramos que a cultura adulta não é derivada de progenitores neurais e que parâmetros mitocondriais observados no cérebro adulto foram reproduzidos in vitro. A análise de respostas a estímulos demonstrou ser variável, dependendo da idade dos animais. Da mesma forma, o uso de culturas de diferentes idades revelou o efeito antienvelhecimento da guanosina, sugerindo sua atividade glioprotetora. Finalmente, demonstramos que culturas preparadas a partir de animais neonatos submetidas a um modelo de senescência in vitro apresentam respostas diferentes das apresentadas por culturas preparadas a partir de animais adultos e/ou envelhecidos, demonstrando que o modelo mais adequado para elucidar propriedades astrocitárias do cérebro maduro é o derivado de animais adultos. Portanto, demonstramos com este estudo a importância da disponibilidade de uma ferramenta como a cultura de astrócitos adultos e elucidamos características bioquímicas, celulares e moleculares desta ferramenta, evidenciando algumas de suas diferenças em comparação à cultura preparada a partir de ratos neonatos. Assim, ampliamos a compreensão das propriedades e funções celulares desta ferramenta, fornecendo respostas mais aproximadas às respostas fornecidas por astrócitos do cérebro maduro in vivo, especialmente no estudo do envelhecimento e das doenças neurodegenerativas. / Astrocytes are glial cells of pivotal importance in the central nervous system (CNS), both in physiological and pathological conditions. Some of their roles include neural plasticity, neurotransmitter metabolism, antioxidant defenses, control of energy metabolism, ionic homeostasis, inflammatory response, formation and maintenance of blood-brain barrier, neuronal migration and cellular communication. Thus, changes in astrocytic function (such as occurs in aging) are related to changes in brain function. The aim of this thesis was to demonstrate that astrocyte cultures from adult Wistar rats (developed and characterized by our research group) might be a reliable and versatile tool for studying astrocytic cellular properties. Our results suggest that this culture model is suitable to study the amino acids content and gliotransmitters, as well as glial enzymatic activity and neurotransmitter management. Next, we showed that the astrocyte cultures are not derived from neural progenitors and tissue mitochondrial parameters were reproduced in in vitro cultures. Responses to stimulus were variable, depending on the animals’ age. Accordingly, guanosine presented an anti-aging effect, indicating its glioprotective activity. Finally, we showed that cultures prepared from newborn rats submitted to an in vitro senescence model presented different responses when compared with mature animals, indicating that our culture model is the most suitable model to represent astrocytic properties in the mature brain. Therefore, this study demonstrates the relevance of this tool to understanding the biochemical, cellular and molecular properties of adult astrocytes, showing some differences related to the culture prepared from newborn animals. Thus, we amplify the comprehension about cellular functions of this tool, providing closer responses related to mature brain in vivo, especially regarding studies about aging and neurodegenerative diseases.

O objetivo desta Tese foi analisar os efeitos do treino de marcha isolado e em combinação com transplante de glia embainhante olfatória (GEO) na recuperação funcional e na plasticidade neuromuscular dependente da atividade em um modelo experimental de paraplegia. Para tanto, foram realizados 2 experimentos. No 1º experimento foi realizada completa transecção da medula espinal (TME) em ratos Wistar adultos e após 5 dias iniciou-se um protocolo de 9 semanas de treino de marcha em esteira com suporte de peso corporal. No 2º experimento, os animais receberam, imediatamente após a TME, transplante de células gliais embainhantes olfatórias (GEO) e, como no primeiro experimento, iniciaram o treino de marcha 5 dias após a lesão/transplante. Durante o período dos experimentos, estudos comportamentais para acompanhamento da recuperação da função sensório-motora dos animais foram periodicamente realizados. Além disso, ao término da fase de treinamento (10 semanas após a lesão/transplante), análises histológicas e bioquímicas foram realizadas em amostras de tecido retiradas da medula espinal e músculo sóleo. Os resultados mostram que o treino de marcha em esteira promove melhora da função sensório-motora nos membros posteriores (MPs) de ratos com completa transecção da medula espinal (TME). Os animais treinados apresentaram escores mais altos na escala BBB e normalização do reflexo flexor de retirada. Além disso, os animais com TME apresentaram atrofia do soma celular nos motoneurônios alfa, redução na expressão de sinaptofisina e na atividade da Na+,K+-ATPase na região lombar. Os animais treinados mostraram soma motoneuronal, expressão de sinaptofisina e atividade da bomba de Na+,K+-ATPase similares aos controles. No músculo sóleo, a TME causou severa atrofia muscular, que foi acompanhada pela redução na expressão do fator neurotrófico derivado do encéfalo (BDNF) neste músculo. Por outro lado, o treino de marcha foi capaz de parcialmente impedir/reverter a atrofia provocada pela paralisia muscular e promover um significante aumento na expressão do BDNF, o qual teve positiva correlação com o trofismo muscular dependente da atividade motora no músculo sóleo. O transplante de glia embainhante olfatória (GEO) promoveu significativo aumento nos escores da escala BBB nos animais com completa TME. Entretanto, o treino de marcha foi capaz de acelerar este ganho funcional. Apesar de não ser observada significativa regeneração axonal através do local da lesão, sugerindo que as melhoras funcionais ocorreram independentemente da existência de regeneração axonal. Estes resultados sugerem que o treino de marcha após a TME promove plasticidade morfológica e bioquímica dependente da atividade nos tecidos neuromusculares. A melhora funcional ocorreu concomitantemente a estas alterações plásticas. Além disso, a terapia de transplante de GEO mostrou resultados positivos na recuperação da função motora dos MPs que foi acelerada pelo treino de marcha, mesmo na ausência de regeneração axonal através da lesão. Estes dados mostram importantes informações neurobiológicas que fornecem base neurocientífica para o uso seguro e eficaz destas terapias na reabilitação após LME. / The aim of this thesis was to study the effects of treadmill step training alone and in combination with olfactory ensheathing cells (OEC) on functional recovery and activity-dependent neuromuscular plasticity in a traumatic paraplegia model. For this, we made two experiments. In the 1st experiment, complete spinal cord transection (SCT) was made in adult Wistar rats and after 5 days the spinal animals were underwent a 9 week body-weight-supported treadmill training (BWSTT) program. In the 2nd experiment, the spinal animals received acute olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation and, similar to the 1st experiment, started a BWSTT 5 days after the injury/transplantation. Behavioral tests were periodically performed in order to study the hindlimb sensorimotor functions in both experiments. Furthermore, after 9 weeks of the training (10 weeks after SCI/transplantation), histological and biochemical analysis were performed in spinal cord and soleus muscle tissues. The results show that treadmill step training improves hindlimb sensorimotor function in rats with complete spinal cord transection (SCT). The trained animals showed higher BBB scores and normalization of the withdrawal reflex. Furthermore, spinal animals showed alpha motoneuron soma size atrophy, decrease in synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity in lumbar spinal cord. Trained SCT animals showed motoneuron soma size, synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity values similar to controls. In soleus muscle, SCT led to severe muscular atrophy, which was accompanied by a decrease in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in this muscle. On the other hand, treadmill step training was able to revert/prevent this paralysis-induced muscular atrophy and promote significant improvement in soleus BDNF expression, which was positively correlated to activity-dependent muscular trophism. Olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation promotes significant improvements in the BBB scores of animals with SCT. However, treadmill step training was able to accelerate this functional gain. There was no significant axonal regeneration that traversed the injury site, which suggests that functional gains occurred in a manner independent of axonal regeneration. Taken as a whole, these results suggest that treadmill step training after SCT promotes activity-dependent morphological and biochemical plasticity in neuromuscular tissues. The functional improvements occurred concomitantly to these plastic changes. Moreover, OEC therapy showed positive results on hindlimb motor function recovery which was accelerated with treadmill step training even in the absence of axonal regeneration across the lesion site. These results represent important neurobiological information for the neuroscientific basis that supports these therapies as an efficient and safe approach in spinal cord injury rehabilitation.

Lesões medulares resultam em uma perda irreversível da função abaixo do sítio da lesão. Esses comprometimentos são permanentes e ocorrem devido à perda de neurônios localmente e também dos tratos axonais ascendentes e descendentes da medula espinal. Na tentativa de criar um ambiente favorável à regeneração dos axônios lesionados, células da glia embainhante olfatória (GEO) vêm sendo transplantadas como estratégia de tratamento em animais submetidos a diferentes modelos experimentais de lesões medulares. Entretanto, um consenso sobre o potencial terapêutico desse tipo de transplante celular ainda precisa ser estabelecido. O objetivo do presente trabalho foi verificar a eficácia do transplante de lâmina própria (LP) olfatória (que possui células da GEO) e de LP respiratória (desprovido de células da GEO), quando implantadas imediatamente, 2 ou 4 semanas após a realização da transecção da medula espinal. Doze semanas após a realização dos implantes, os animais que receberam LP olfatória e respiratória apresentaram uma melhora sutil na função motora dos membros posteriores. Além disso, o transplante de LP olfatória quando realizado imediatamente após a lesão reduziu a hiperatividade do reflexo de retirada, enquanto o implante desse tipo de tecido 4 semanas pós-lesão produziu uma discreta depressão dependente de frequência do reflexo de Hoffman (um análogo elétrico do reflexo monossináptico de estiramento). Nas diferentes janelas terapêuticas utilizadas, o transplante de ambos os tipos de LP produziu resultados comparáveis em relação à preservação do tecido medular, brotamento de neuritos e regeneração de fibras mielínicas no local da lesão, indicando que o tempo decorrido antes da realização dos transplantes não parece limitar os efeitos regenerativos. Todavia, as fibras mielínicas observadas no sítio da transecção nos animais que receberam LP olfatória 2 e 4 semanas pós-lesão possuíam menor área, diâmetro e espessura da bainha de mielina quando comparados aos animais que receberam LP respiratória nesses mesmos períodos. O transplante imediato de LP olfatória e respiratória também favoreceu o restabelecimento das conexões entre as fibras axonais lesionadas com núcleos do tronco encefálico e até mesmo com a região do córtex somatossensorial, como indicado pela presença de neurônios nessas regiões marcados positivamente com um marcador axonal retrógrado. Um número maior de fibras positivas para 5-HT foi observado no coto proximal dos grupos transplantados com ambos os tipos de LP em comparação às regiões da lesão e do coto caudal. Fibras positivas para CGRP estavam presentes em número considerável no local da lesão. A recuperação locomotora e a regeneração axonal no local da lesão foram limitadas e comparáveis entre os grupos transplantados nos diferentes tempos com LP olfatória e respiratória, sugerindo que esses resultados não estão exclusivamente relacionados à presença de células da GEO nos enxertos utilizados. Um melhor entendimento sobre o potencial restaurativo desse tipo de transplante é necessário a fim de justificar a aplicação dessa terapia em humanos. / Spinal cord injury (SCI) results in an irreversible loss of function below the injury site. These permanent disabilities occur due to local neuronal death and loss of ascending and descending axons in the spinal cord. In attempt to create a favorable environment for the re-growth of injured axons, olfactory ensheathing cells (OECs) have been transplanted as a treatment strategy in animals submitted to different experimental models of SCI. However, a consensus on the efficacy of this cellular transplantation has yet to be reached. The main focus of the present study was explore the efficacy of olfactory lamina propria (OLP, graft containing OECs) or respiratory lamina propria (RLP, graft without OECs) when transplanted immediately, 2-week or 4-week after spinal cord transection. After 12 weeks of transplantation, animals with OLP and RLP grafts showed a subtle hindlimb motor improvement. Furthermore, the transplantation of OLP when performed immediately after injury reduced the withdrawal reflex over-responsiveness, while the implantation of this tissue 4 weeks post-injury produced a discrete frequency-dependent habituation of the Hoffman reflex (the electrical analogue of the classic tendon jerk reflex). In all therapeutic windows used, both lamina propria grafts produced comparable results for tissue sparing, fibers sprouting and re-growth of myelinated fibers at the lesion site, indicating that delayed transplantation approach does not seem to limit the regenerative effects. However, the myelinated fibers observed at the transection site of animals that received OLP 2 or 4 weeks after injury had a smaller myelinated fiber area, diameter and myelin sheath thickness when compared to those animals transplanted with RLP grafts in the same periods. The immediate transplantation of OLP and RLP also foster limited supraspinal axonal re-connection as shown by the presence of neurons stained by retrograde tracing in brainstem nuclei and in the somatosensory cortex. A larger number of 5-HT positive axons were found in the cranial stump of both lamina propria groups compared to the lesion and caudal regions. CGRP positive axons were present in considerable numbers at the SCI site. The locomotor recovery and axon reparative effects were limited and similar between groups transplanted at different times with OLP and RLP, suggesting that these results could not be exclusively related to OECs. In conclusion, a greater understanding of the restorative potential of these tissue grafts is necessary to strengthen the rationale for application of this treatment in humans.

Astrócitos são células gliais com fundamental importância no sistema nervoso central (SNC), tanto em condições fisiológicas quanto patológicas. Estas células são essenciais na plasticidade neural, no metabolismo de neurotransmissores, na defesa antioxidante, na regulação do metabolismo energético, na homeostase iônica, na resposta inflamatória, na manutenção da barreira sangue-cérebro, na migração neuronal e na estabilização da comunicação entre as células. Assim, alterações em funções astrocitárias (como as que ocorrem no envelhecimento) estão relacionadas a importantes alterações na funcionalidade cerebral. Desta forma, esta tese teve por objetivo demonstrar que a cultura de astrócitos derivada de ratos Wistar adultos, desenvolvida e caracterizada pelo nosso grupo de pesquisa, pode ser um modelo de estudo fidedigno e versátil das propriedades celulares astrocitárias. Nossos resultados apontam que esta metodologia pode ser utilizada para elucidar o perfil de aminoácidos e gliotransmissores assim como da atividade enzimática glial e gerenciamento de neurotransmissores. Também demonstramos que a cultura adulta não é derivada de progenitores neurais e que parâmetros mitocondriais observados no cérebro adulto foram reproduzidos in vitro. A análise de respostas a estímulos demonstrou ser variável, dependendo da idade dos animais. Da mesma forma, o uso de culturas de diferentes idades revelou o efeito antienvelhecimento da guanosina, sugerindo sua atividade glioprotetora. Finalmente, demonstramos que culturas preparadas a partir de animais neonatos submetidas a um modelo de senescência in vitro apresentam respostas diferentes das apresentadas por culturas preparadas a partir de animais adultos e/ou envelhecidos, demonstrando que o modelo mais adequado para elucidar propriedades astrocitárias do cérebro maduro é o derivado de animais adultos. Portanto, demonstramos com este estudo a importância da disponibilidade de uma ferramenta como a cultura de astrócitos adultos e elucidamos características bioquímicas, celulares e moleculares desta ferramenta, evidenciando algumas de suas diferenças em comparação à cultura preparada a partir de ratos neonatos. Assim, ampliamos a compreensão das propriedades e funções celulares desta ferramenta, fornecendo respostas mais aproximadas às respostas fornecidas por astrócitos do cérebro maduro in vivo, especialmente no estudo do envelhecimento e das doenças neurodegenerativas. / Astrocytes are glial cells of pivotal importance in the central nervous system (CNS), both in physiological and pathological conditions. Some of their roles include neural plasticity, neurotransmitter metabolism, antioxidant defenses, control of energy metabolism, ionic homeostasis, inflammatory response, formation and maintenance of blood-brain barrier, neuronal migration and cellular communication. Thus, changes in astrocytic function (such as occurs in aging) are related to changes in brain function. The aim of this thesis was to demonstrate that astrocyte cultures from adult Wistar rats (developed and characterized by our research group) might be a reliable and versatile tool for studying astrocytic cellular properties. Our results suggest that this culture model is suitable to study the amino acids content and gliotransmitters, as well as glial enzymatic activity and neurotransmitter management. Next, we showed that the astrocyte cultures are not derived from neural progenitors and tissue mitochondrial parameters were reproduced in in vitro cultures. Responses to stimulus were variable, depending on the animals’ age. Accordingly, guanosine presented an anti-aging effect, indicating its glioprotective activity. Finally, we showed that cultures prepared from newborn rats submitted to an in vitro senescence model presented different responses when compared with mature animals, indicating that our culture model is the most suitable model to represent astrocytic properties in the mature brain. Therefore, this study demonstrates the relevance of this tool to understanding the biochemical, cellular and molecular properties of adult astrocytes, showing some differences related to the culture prepared from newborn animals. Thus, we amplify the comprehension about cellular functions of this tool, providing closer responses related to mature brain in vivo, especially regarding studies about aging and neurodegenerative diseases.

O objetivo desta Tese foi analisar os efeitos do treino de marcha isolado e em combinação com transplante de glia embainhante olfatória (GEO) na recuperação funcional e na plasticidade neuromuscular dependente da atividade em um modelo experimental de paraplegia. Para tanto, foram realizados 2 experimentos. No 1º experimento foi realizada completa transecção da medula espinal (TME) em ratos Wistar adultos e após 5 dias iniciou-se um protocolo de 9 semanas de treino de marcha em esteira com suporte de peso corporal. No 2º experimento, os animais receberam, imediatamente após a TME, transplante de células gliais embainhantes olfatórias (GEO) e, como no primeiro experimento, iniciaram o treino de marcha 5 dias após a lesão/transplante. Durante o período dos experimentos, estudos comportamentais para acompanhamento da recuperação da função sensório-motora dos animais foram periodicamente realizados. Além disso, ao término da fase de treinamento (10 semanas após a lesão/transplante), análises histológicas e bioquímicas foram realizadas em amostras de tecido retiradas da medula espinal e músculo sóleo. Os resultados mostram que o treino de marcha em esteira promove melhora da função sensório-motora nos membros posteriores (MPs) de ratos com completa transecção da medula espinal (TME). Os animais treinados apresentaram escores mais altos na escala BBB e normalização do reflexo flexor de retirada. Além disso, os animais com TME apresentaram atrofia do soma celular nos motoneurônios alfa, redução na expressão de sinaptofisina e na atividade da Na+,K+-ATPase na região lombar. Os animais treinados mostraram soma motoneuronal, expressão de sinaptofisina e atividade da bomba de Na+,K+-ATPase similares aos controles. No músculo sóleo, a TME causou severa atrofia muscular, que foi acompanhada pela redução na expressão do fator neurotrófico derivado do encéfalo (BDNF) neste músculo. Por outro lado, o treino de marcha foi capaz de parcialmente impedir/reverter a atrofia provocada pela paralisia muscular e promover um significante aumento na expressão do BDNF, o qual teve positiva correlação com o trofismo muscular dependente da atividade motora no músculo sóleo. O transplante de glia embainhante olfatória (GEO) promoveu significativo aumento nos escores da escala BBB nos animais com completa TME. Entretanto, o treino de marcha foi capaz de acelerar este ganho funcional. Apesar de não ser observada significativa regeneração axonal através do local da lesão, sugerindo que as melhoras funcionais ocorreram independentemente da existência de regeneração axonal. Estes resultados sugerem que o treino de marcha após a TME promove plasticidade morfológica e bioquímica dependente da atividade nos tecidos neuromusculares. A melhora funcional ocorreu concomitantemente a estas alterações plásticas. Além disso, a terapia de transplante de GEO mostrou resultados positivos na recuperação da função motora dos MPs que foi acelerada pelo treino de marcha, mesmo na ausência de regeneração axonal através da lesão. Estes dados mostram importantes informações neurobiológicas que fornecem base neurocientífica para o uso seguro e eficaz destas terapias na reabilitação após LME. / The aim of this thesis was to study the effects of treadmill step training alone and in combination with olfactory ensheathing cells (OEC) on functional recovery and activity-dependent neuromuscular plasticity in a traumatic paraplegia model. For this, we made two experiments. In the 1st experiment, complete spinal cord transection (SCT) was made in adult Wistar rats and after 5 days the spinal animals were underwent a 9 week body-weight-supported treadmill training (BWSTT) program. In the 2nd experiment, the spinal animals received acute olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation and, similar to the 1st experiment, started a BWSTT 5 days after the injury/transplantation. Behavioral tests were periodically performed in order to study the hindlimb sensorimotor functions in both experiments. Furthermore, after 9 weeks of the training (10 weeks after SCI/transplantation), histological and biochemical analysis were performed in spinal cord and soleus muscle tissues. The results show that treadmill step training improves hindlimb sensorimotor function in rats with complete spinal cord transection (SCT). The trained animals showed higher BBB scores and normalization of the withdrawal reflex. Furthermore, spinal animals showed alpha motoneuron soma size atrophy, decrease in synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity in lumbar spinal cord. Trained SCT animals showed motoneuron soma size, synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity values similar to controls. In soleus muscle, SCT led to severe muscular atrophy, which was accompanied by a decrease in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in this muscle. On the other hand, treadmill step training was able to revert/prevent this paralysis-induced muscular atrophy and promote significant improvement in soleus BDNF expression, which was positively correlated to activity-dependent muscular trophism. Olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation promotes significant improvements in the BBB scores of animals with SCT. However, treadmill step training was able to accelerate this functional gain. There was no significant axonal regeneration that traversed the injury site, which suggests that functional gains occurred in a manner independent of axonal regeneration. Taken as a whole, these results suggest that treadmill step training after SCT promotes activity-dependent morphological and biochemical plasticity in neuromuscular tissues. The functional improvements occurred concomitantly to these plastic changes. Moreover, OEC therapy showed positive results on hindlimb motor function recovery which was accelerated with treadmill step training even in the absence of axonal regeneration across the lesion site. These results represent important neurobiological information for the neuroscientific basis that supports these therapies as an efficient and safe approach in spinal cord injury rehabilitation.

Brain stem remyelination following demyelination induced by ethidium bromide (EB) is carried out by oligodendrocytes and Schwann cells that invade the central nervous system when astrocytes are lost. Although oligodendrocyte remyelination is detected from 13 days onward within the lesions, the origin of the remyelinating cells is not known. To clarify oligodendrocyte origin as well as to observe astrocytic behaviour in normal (n=22) as well as immunosuppressed animals (n=22) adult Wistar rats were injected with EB in the basal cisterna. Wistar rats had an EB injection while treated with cyclophosphamide (astrocyte investigation, n=12) or cyclosporine A (oligodendrocyte study, n=10). Control animals had a single injection of 10 μl of 0.9% saline (n=16). For the investigation on astrocytes, the rats were killed at 1, 2, 3, 7, 14 and 21 days a.i. GFAP labelled astrocytes were conspicuous within the lesions and isomorphic gliosis was detected, more marked in those rats immunosuppressed with CY. Nonetheless a significant difference among the groups could not be established because of the mean deviations detected by the image studies. For the oligodendrocyte investigation the rats were killed at 15, 21 and 31 days a.i. Lesions of EB injected in normal and cyclosporine A-treated Wistar rats labelled positive for OSP (oligodendrocytes specific protein). This result points to mature oligodendrocytes as a source of remyelinating cells to restore the lost myelin sheaths after EB injection. The EB model of demyelination allowed the observation of the neuroglia in lesions where remyelination is made up by mature cells of the oligodendroglial lineage and where astrocytes respond selectively to immunosuppressive drugs that modify the inflammatory reaction induced by EB / Remielinização após desmielinização com brometo de etídio (BE) no tronco encefálico de ratos é realizada por oligodendrócitos e células de Schwann que invadem o tecido após a morte dos astrócitos. Embora a remielinização por oligodendrócitos seja detectada a partir dos 13 dias pós-intoxicação, a origem das células remielinizantes não é conhecida. Para esclarecer essa origem bem como o comportamento astrocitário em lesões induzidas pelo BE em ratos adultos normais (n=22) ou sob terapia imunomoduladora (n=22), ratos Wistar adultos receberam uma injeção de 10 μl de BE na cisterna basal. Ratos Wistar receberam a injeção de BE enquanto sob terapia imunossupressora com ciclofosfamida (estudo astrocitário) (n=12) ou ciclosporina-A (n=10) (estudo da oligodendróglia). Os animais controle receberam uma injeção de 10 μl 0.9% de solução salina (n=16). Para o estudo astrocitário, os animais foram sacrificados aos 1, 2, 3, 7, 14 e 21 dias pós-injeção de BE. Astrócitos foram marcados com GFAP (proteína glial fibrilar ácida) e foi detectada gliose isomórfica nas lesões, mais marcada naqueles animais tratados com ciclofosfamida (CY). Embora existisse diferença entre a marcação por GFAP nos ratos que receberam somente BE e os que receberam BE e CY, os desvios das médias obtidas através da análise de imagem, não permitiram uma conclusão sobre a significância dessa diferença. Os ratos do experimento sobre a oligodendróglia foram sacrificados aos 15, 21 e 31 dias p.i. do BE. Tecidos de ratos normais injetados com BE e ratos injetados e tratados com ciclosporina foram marcados com imunofluorescência (IF) para OSP (proteína específica do oligodendrócito) que marca células maduras da linhagem oligodendroglial. O resultado foi a marcação de células maduras que remielinizavam em áreas próximas ao tecido normal, mostrando oligodendrócitos maduros como fonte celular na reparação das bainhas perdidas. O modelo de desmielinização do BE permitiu estudar a atividade da neuróglia em lesões que foram remielinizadas por oligodendrócitos maduros e nas que os astrócitos responderam seletivamente a imunossupressores que interferem com a reação inflamatória dentro do tecido

Lesões medulares resultam em uma perda irreversível da função abaixo do sítio da lesão. Esses comprometimentos são permanentes e ocorrem devido à perda de neurônios localmente e também dos tratos axonais ascendentes e descendentes da medula espinal. Na tentativa de criar um ambiente favorável à regeneração dos axônios lesionados, células da glia embainhante olfatória (GEO) vêm sendo transplantadas como estratégia de tratamento em animais submetidos a diferentes modelos experimentais de lesões medulares. Entretanto, um consenso sobre o potencial terapêutico desse tipo de transplante celular ainda precisa ser estabelecido. O objetivo do presente trabalho foi verificar a eficácia do transplante de lâmina própria (LP) olfatória (que possui células da GEO) e de LP respiratória (desprovido de células da GEO), quando implantadas imediatamente, 2 ou 4 semanas após a realização da transecção da medula espinal. Doze semanas após a realização dos implantes, os animais que receberam LP olfatória e respiratória apresentaram uma melhora sutil na função motora dos membros posteriores. Além disso, o transplante de LP olfatória quando realizado imediatamente após a lesão reduziu a hiperatividade do reflexo de retirada, enquanto o implante desse tipo de tecido 4 semanas pós-lesão produziu uma discreta depressão dependente de frequência do reflexo de Hoffman (um análogo elétrico do reflexo monossináptico de estiramento). Nas diferentes janelas terapêuticas utilizadas, o transplante de ambos os tipos de LP produziu resultados comparáveis em relação à preservação do tecido medular, brotamento de neuritos e regeneração de fibras mielínicas no local da lesão, indicando que o tempo decorrido antes da realização dos transplantes não parece limitar os efeitos regenerativos. Todavia, as fibras mielínicas observadas no sítio da transecção nos animais que receberam LP olfatória 2 e 4 semanas pós-lesão possuíam menor área, diâmetro e espessura da bainha de mielina quando comparados aos animais que receberam LP respiratória nesses mesmos períodos. O transplante imediato de LP olfatória e respiratória também favoreceu o restabelecimento das conexões entre as fibras axonais lesionadas com núcleos do tronco encefálico e até mesmo com a região do córtex somatossensorial, como indicado pela presença de neurônios nessas regiões marcados positivamente com um marcador axonal retrógrado. Um número maior de fibras positivas para 5-HT foi observado no coto proximal dos grupos transplantados com ambos os tipos de LP em comparação às regiões da lesão e do coto caudal. Fibras positivas para CGRP estavam presentes em número considerável no local da lesão. A recuperação locomotora e a regeneração axonal no local da lesão foram limitadas e comparáveis entre os grupos transplantados nos diferentes tempos com LP olfatória e respiratória, sugerindo que esses resultados não estão exclusivamente relacionados à presença de células da GEO nos enxertos utilizados. Um melhor entendimento sobre o potencial restaurativo desse tipo de transplante é necessário a fim de justificar a aplicação dessa terapia em humanos. / Spinal cord injury (SCI) results in an irreversible loss of function below the injury site. These permanent disabilities occur due to local neuronal death and loss of ascending and descending axons in the spinal cord. In attempt to create a favorable environment for the re-growth of injured axons, olfactory ensheathing cells (OECs) have been transplanted as a treatment strategy in animals submitted to different experimental models of SCI. However, a consensus on the efficacy of this cellular transplantation has yet to be reached. The main focus of the present study was explore the efficacy of olfactory lamina propria (OLP, graft containing OECs) or respiratory lamina propria (RLP, graft without OECs) when transplanted immediately, 2-week or 4-week after spinal cord transection. After 12 weeks of transplantation, animals with OLP and RLP grafts showed a subtle hindlimb motor improvement. Furthermore, the transplantation of OLP when performed immediately after injury reduced the withdrawal reflex over-responsiveness, while the implantation of this tissue 4 weeks post-injury produced a discrete frequency-dependent habituation of the Hoffman reflex (the electrical analogue of the classic tendon jerk reflex). In all therapeutic windows used, both lamina propria grafts produced comparable results for tissue sparing, fibers sprouting and re-growth of myelinated fibers at the lesion site, indicating that delayed transplantation approach does not seem to limit the regenerative effects. However, the myelinated fibers observed at the transection site of animals that received OLP 2 or 4 weeks after injury had a smaller myelinated fiber area, diameter and myelin sheath thickness when compared to those animals transplanted with RLP grafts in the same periods. The immediate transplantation of OLP and RLP also foster limited supraspinal axonal re-connection as shown by the presence of neurons stained by retrograde tracing in brainstem nuclei and in the somatosensory cortex. A larger number of 5-HT positive axons were found in the cranial stump of both lamina propria groups compared to the lesion and caudal regions. CGRP positive axons were present in considerable numbers at the SCI site. The locomotor recovery and axon reparative effects were limited and similar between groups transplanted at different times with OLP and RLP, suggesting that these results could not be exclusively related to OECs. In conclusion, a greater understanding of the restorative potential of these tissue grafts is necessary to strengthen the rationale for application of this treatment in humans.

O objetivo desta Tese foi analisar os efeitos do treino de marcha isolado e em combinação com transplante de glia embainhante olfatória (GEO) na recuperação funcional e na plasticidade neuromuscular dependente da atividade em um modelo experimental de paraplegia. Para tanto, foram realizados 2 experimentos. No 1º experimento foi realizada completa transecção da medula espinal (TME) em ratos Wistar adultos e após 5 dias iniciou-se um protocolo de 9 semanas de treino de marcha em esteira com suporte de peso corporal. No 2º experimento, os animais receberam, imediatamente após a TME, transplante de células gliais embainhantes olfatórias (GEO) e, como no primeiro experimento, iniciaram o treino de marcha 5 dias após a lesão/transplante. Durante o período dos experimentos, estudos comportamentais para acompanhamento da recuperação da função sensório-motora dos animais foram periodicamente realizados. Além disso, ao término da fase de treinamento (10 semanas após a lesão/transplante), análises histológicas e bioquímicas foram realizadas em amostras de tecido retiradas da medula espinal e músculo sóleo. Os resultados mostram que o treino de marcha em esteira promove melhora da função sensório-motora nos membros posteriores (MPs) de ratos com completa transecção da medula espinal (TME). Os animais treinados apresentaram escores mais altos na escala BBB e normalização do reflexo flexor de retirada. Além disso, os animais com TME apresentaram atrofia do soma celular nos motoneurônios alfa, redução na expressão de sinaptofisina e na atividade da Na+,K+-ATPase na região lombar. Os animais treinados mostraram soma motoneuronal, expressão de sinaptofisina e atividade da bomba de Na+,K+-ATPase similares aos controles. No músculo sóleo, a TME causou severa atrofia muscular, que foi acompanhada pela redução na expressão do fator neurotrófico derivado do encéfalo (BDNF) neste músculo. Por outro lado, o treino de marcha foi capaz de parcialmente impedir/reverter a atrofia provocada pela paralisia muscular e promover um significante aumento na expressão do BDNF, o qual teve positiva correlação com o trofismo muscular dependente da atividade motora no músculo sóleo. O transplante de glia embainhante olfatória (GEO) promoveu significativo aumento nos escores da escala BBB nos animais com completa TME. Entretanto, o treino de marcha foi capaz de acelerar este ganho funcional. Apesar de não ser observada significativa regeneração axonal através do local da lesão, sugerindo que as melhoras funcionais ocorreram independentemente da existência de regeneração axonal. Estes resultados sugerem que o treino de marcha após a TME promove plasticidade morfológica e bioquímica dependente da atividade nos tecidos neuromusculares. A melhora funcional ocorreu concomitantemente a estas alterações plásticas. Além disso, a terapia de transplante de GEO mostrou resultados positivos na recuperação da função motora dos MPs que foi acelerada pelo treino de marcha, mesmo na ausência de regeneração axonal através da lesão. Estes dados mostram importantes informações neurobiológicas que fornecem base neurocientífica para o uso seguro e eficaz destas terapias na reabilitação após LME. / The aim of this thesis was to study the effects of treadmill step training alone and in combination with olfactory ensheathing cells (OEC) on functional recovery and activity-dependent neuromuscular plasticity in a traumatic paraplegia model. For this, we made two experiments. In the 1st experiment, complete spinal cord transection (SCT) was made in adult Wistar rats and after 5 days the spinal animals were underwent a 9 week body-weight-supported treadmill training (BWSTT) program. In the 2nd experiment, the spinal animals received acute olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation and, similar to the 1st experiment, started a BWSTT 5 days after the injury/transplantation. Behavioral tests were periodically performed in order to study the hindlimb sensorimotor functions in both experiments. Furthermore, after 9 weeks of the training (10 weeks after SCI/transplantation), histological and biochemical analysis were performed in spinal cord and soleus muscle tissues. The results show that treadmill step training improves hindlimb sensorimotor function in rats with complete spinal cord transection (SCT). The trained animals showed higher BBB scores and normalization of the withdrawal reflex. Furthermore, spinal animals showed alpha motoneuron soma size atrophy, decrease in synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity in lumbar spinal cord. Trained SCT animals showed motoneuron soma size, synaptophysin expression and Na+,K+-ATPase activity values similar to controls. In soleus muscle, SCT led to severe muscular atrophy, which was accompanied by a decrease in brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in this muscle. On the other hand, treadmill step training was able to revert/prevent this paralysis-induced muscular atrophy and promote significant improvement in soleus BDNF expression, which was positively correlated to activity-dependent muscular trophism. Olfactory ensheathing cell (OEC) transplantation promotes significant improvements in the BBB scores of animals with SCT. However, treadmill step training was able to accelerate this functional gain. There was no significant axonal regeneration that traversed the injury site, which suggests that functional gains occurred in a manner independent of axonal regeneration. Taken as a whole, these results suggest that treadmill step training after SCT promotes activity-dependent morphological and biochemical plasticity in neuromuscular tissues. The functional improvements occurred concomitantly to these plastic changes. Moreover, OEC therapy showed positive results on hindlimb motor function recovery which was accelerated with treadmill step training even in the absence of axonal regeneration across the lesion site. These results represent important neurobiological information for the neuroscientific basis that supports these therapies as an efficient and safe approach in spinal cord injury rehabilitation.