Damage to the adult mammalian central nervous system (CNS), either by traumatic injury or disease, usually results in permanent sensory and/or motor deficits. Regeneration of neural circuits is limited both by the lack of growthpromoting molecules and by the presence of growth-inhibitory molecules in the mature brain and spinal cord. The research described here examines the therapeutic potential of viral vectors and neuronal transplants to reconstruct damaged neural pathways in the CNS. Experimental neural transplantation techniques often fall short of expectations because of limited transplant survival and insufficient neurite outgrowth to repair connections and induce behavioral recovery. These shortcomings are addressed in the current studies by virus-mediated expression of cell-specific neurotrophic and guidance molecules in the host brain prior to cell transplantation. The initial proof-of-principle studies show that viral vectors can be used to create axon-guidance pathways in the adult mammalian brain. With such pathways in place, subsequent transplantation of neurons leads to longdistance, targeted outgrowth of neurites. Application of this technique to a rat model of Parkinsons disease demonstrates that circuit reconstruction leads to functional recovery. For this study, rats were lesioned on one side of their brain with 6-hydroxydopamine to produce a hemiparkinsonian state. The motor deficit was confirmed by amphetamine-induced rotation testing and spontaneous motor asymmetry testing. The rats were then divided into experimental groups to receive lentivirus injections along a path between the substantia nigra (SN) and the striatum to express glial cell-line derived neurotrophic factor (GDNF), GDNF family receptor alpha-1 (GFR1), netrin-1 or green fluorescent protein (GFP, control). One group received combination injections of lenti-GDNF and lenti-GFR1. One week after virus injections, animals received transplants of embryonic midbrain dopaminergic neurons into their SNs. They were tested for motor asymmetry every two weeks for a total of eight weeks and then brain tissue was harvested for immunohistochemical analysis. Results demonstrate that virus-induced expression of GDNF and GFR1 supports growth of dopaminergic fibers from cells transplanted into the SN all the way to the striatum, and these animals have a significant reduction in both drug-induced and spontaneous motor asymmetry.

[ES] El sistema nervioso forma una red de circuitos neuronales esenciales para la locomoción. El sistema nervioso central (cerebro y médula espinal) transmite información a los músculos. Mientras el sistema nervioso periférico puede regenerarse, el central tiene una capacidad regenerativa limitada. Por ello, las lesiones en el sistema nervioso central son críticas y a menudo carecen de cura. Una de ellas es la lesión de la médula espinal, una condición devastadora sin tratamiento eficaz. Una lesión interrumpe la entrada supraespinal en la médula espinal, conduciendo a disfunción locomotora debajo de la lesión. La relación alterada entre excitación e inhibición, con un aumento en la inhibición y la limitada regeneración de los tractos neuronales afectados, limitan la función locomotora. Como resultado, puede ocurrir parálisis completa incluso en pacientes con lesiones incompletas. Esta tesis doctoral define una terapia combinada para tratar la lesión de la médula espinal. Hipotetizamos que, para ayudar a la regeneración de los tractos, un trasplante neuronal periférico (ganglios de la raíz dorsal, DRG) que retiene la capacidad de regeneración puede ser efectivo. Para alterar la inhibición y mejorar la supervivencia del trasplante, se empleó la sobreexpresión del canal de sodio bacteriano, NaChBac. Finalmente, para mejorar la regeneración axonal, utilizamos medicamentos que modulan el citoesqueleto. En el Capítulo 1, validamos nuestra hipótesis con estudios in vitro. Observamos el efecto de Epothilone B y Blebbistatin en la longitud de las neuritas in vitro. Mientras Blebbistatin aumenta la longitud de las neuritas, la combinación con Epothilone la disminuye. Luego, describimos el efecto de NaChBac en los DRG y las células Neuro-2A. En las DRG, NaChBac aumenta la actividad y secreción de factores neurotróficos, promoviendo la señalización pro-supervivencia y anti-apoptótica en las Neuro-2A. Finalmente, describimos cómo la expresión de NaChBac y Blebbistatin mejora la longitud de las neuritas in vitro. En el Capítulo 2, evaluamos la supervivencia y eficacia del trasplante de DRG con el tracto corticoespinal, el más importante en la locomoción, en un estudio in vivo. Encontramos una adecuada integración del trasplante en el tejido huésped. La expresión de NaChBac aumenta la supervivencia de las células trasplantadas y mejora la preservación del tracto corticoespinal. En el Capítulo 3, evaluamos el tratamiento combinado en un escenario de lesión crónica y severa. La combinación del trasplante que expresa NaChBac y Blebbistatin limita la recuperación funcional, mientras que el trasplante que expresa NaChBac mejora significativamente la función locomotora en ratones. Los animales trasplantados con DRGs que expresan NaChBac tenían un aumento de fibras neuronales positivas para tubulina, con mayor preservación de mielina, aunque las fibras descendentes serotonérgicas y corticoespinales no mostraron cambios significativos entre los grupos. El trasplante de DRGs que expresan NaChBac aumentó significativamente el input excitatorio neto, determinado por el aumento de contactos de VGLUT2 y la disminución de VGAT en los somas de las neuronas inmediatamente caudales a las lesiones. Esta tesis sugiere que el trasplante de DRGs que expresan NaChBac rescata parte de la función motora perdida, manteniendo la actividad neuronal excitatoria caudal a la zona lesionada, destacando la relevancia del mantenimiento de la actividad neuronal como estrategia terapéutica para el rescate funcional de lesiones medulares severas. / [CA] El sistema nerviós forma una xarxa organitzada de circuits neuronals que són essencials per la locomoció. El sistema nerviós central (cervell i la medul·la espinal) rep i transmet informació de manera eficaç que és transmesa pel sistema nerviós perifèric als músculs, que comporta a moviment. El sistema nerviós perifèric té capacitat de regeneració, però el central té limitacions. Per això, les lesions en el sistema nerviós central sovint manquen de cura. Una d'elles és la lesió de la medul·la espinal, una condició debilitant que manca d'una cura eficaç. Una lesió resulta en una interrupció de l'entrada supraespinal en la medul·la espinal i conduïx a una disfunció locomotora. La relació alterada entre excitació i inhibició, un augment en la inhibició, juntament amb la capacitat limitada de regeneració endògena, limiten encara més la funció locomotora. Com a resultat, la paràlisi completa pot ocórrer fins i tot en pacients amb lesions anatòmicament incompletes. En esta tesi, ens centrem en estes idees principals per a definir una teràpia combinada. Hipotetizamos que, per a ajudar a la capacitat limitada de regeneració dels tractes, un trasplantament neuronal perifèric (ganglis de l'arrel dorsal, DRG) que reté la capacitat intrínseca de regeneració pot ser efectiva. Per a alterar la inhibició, millorar la supervivència i integració del trasplantament en els circuits, es va a emprar la sobreexpresió del canal de sodi, NaChBac. Finalment, per a dirigir i millorar la regeneració axonal, utilitzem medicaments que modulen el citoesquelet per a millorar la longitud axonal. Esta tesi estudia els efectes d'esta estratègia combinada. En el Capítol 1, estudiem l'efecte sinèrgic dels medicaments que modulen el citoesquelet Epothilone B i Blebbistatin en la longitud de les neurites in vitro i observem que el tractament individual amb Blebbistatin augmenta la longitud dels neurites, la combinació amb Epothilone conduïx a una morfologia del con de creixement alterada que resulta en disminució de la longitud dels neurites. Després, descrivim l'efecte de l'expressió de NaChBac en els DRG i les cèl·lules Neuro-2A. En les DRG, l'expressió de NaChBac conduïx a un augment en l'activitat intrínseca i la secreció de factors neurotrófics, promovent la senyalització pro-supervivència i la senyalització anti-apoptótic en les cèl·lules Neuro-2A. Finalment, descrivim com l'efecte combinat de l'expressió de NaChBac i Blebbistatin millora la longitud dels neurites. En el Capítol 2, avaluem la supervivència i interacció del trasplantament de DRG amb el tracte corticoespinal. Trobem una integració i supervivència adequada del trasplantament. A més, vam mostrar que l'expressió de NaChBac augmenta la supervivència del nombre total de cèl·lules trasplantades, així com millora la preservació del tracte corticoespinal després de la lesió. En el Capítol 3, avaluem l'efecte del tractament combinat en una lesió crònica i severa. Vam demostrar que la combinació del trasplantament que expressa NaChBac i Blebbistatin limita la recuperació funcional, mentres que el trasplantament que expressa NaChBac millora significativament la funció locomotora en ratolins. Per tant, descrivim que els animals trasplantats amb DRGs que expressen NaChBac tenien un augment en la fibra neuronal positiva per a tubulina i la preservació de la mielina, mentres que les fibres descendents serotonérgics i corticoespinales van romandre sense alteració. Trobem que el trasplantament de DRGs que expressen NaChBac va augmentar l'entrada neuronal excitatoria, com es va observar per l'augment en el nombre de contactes de VGLUT2 i la disminució en els contactes de VGAT cabals a les lesions. Així, la tesi suggereix que el trasplantament de DRGs amb NaChBac rescata la funció motora en lesions de la medul·la espinal en retindre una activitat de relé neuronal excitatoria cabal a les lesions en un model sever de lesió i destaca la importància del manteniment de l'activitat com a teràpia efectiva. / [EN] The nervous system forms specialized neuronal circuitry and organization that are essential for locomotion. The central nervous system (brain, spinal cord) receives and relays information, delivered by the peripheral nervous system to muscles to achieve locomotion. It is known that the peripheral nervous system retains its ability to regenerate, the central nervous system has little to no regenerative capacity in adult stages. Therefore, injuries to the central nervous system are critical and lack cure. One such is spinal cord injury; a debilitating condition that lacks an effective treatment. An injury results in severing of supraspinal input into the spinal cord, leading to locomotor dysfunction beneath the injury. Altered excitation inhibition ratio after an injury, increase in inhibition and limited endogenous regeneration capacity of the affected neuronal tracts limit locomotor function. As a result, complete paralysis may occur in patients with anatomically incomplete injuries. In this thesis, we focus on these points to devise a combinatory approach as an effective treatment strategy. We hypothesized that to aid the limited regeneration capacity of the tracts, a peripheral neuronal transplant (dorsal root ganglia, DRG) which retains the intrinsic ability to regenerate can be effective. To overcome inhibition, improve survival and integration of the transplant into circuits, the overexpression of NaChBac sodium channel was employed. Finally, to target and improve the axonal regeneration of endogenous and transplanted cells, we use cytoskeleton modulating drugs to enhance axonal length. This thesis studies the effects of this combinatory approach to treat spinal cord injury. In Chapter 1, we study the synergistic effect of cytoskeleton modulating drugs Epothilone B and Blebbistatin on neurite length and find that individual treatment with Blebbistatin increases neurite length, combination with Epothilone leads to an altered splayed morphology of the growth cone and decreased neurite length. Next, we describe the effect of NaChBac expression in DRGs and Neuro-2A cells. In DRGs, NaChBac expression leads to an increase in intrinsic activity and secretion of neurotrophic factors, promoting pro-survival signaling and anti-apoptotic signaling in Neuro-2A cells. Finally, we describe the combinatory effect of NaChBac expression and Blebbistatin further improves neurite length in vitro. In Chapter 2, we evaluate the survival, efficacy, and interaction of the DRG transplant with the corticospinal tract, the most important tract involved in locomotion in a short-term in vivo study. We report a satisfactory integration and survival of the transplant. We also show that NaChBac expression increases the survival of the total number of transplanted cells, as well as improves preservation of the corticospinal tract after the injury. In Chapter 3, we study the effect of the combinatory treatment in a chronic, severe injury scenario. We find that the combination of the transplant expressing NaChBac and Blebbistatin limits functional recovery, while that of transplant expressing NaChBac significantly improved locomotor function in mice. Therefore, focusing on this, we report that animals transplanted with NaChBac-expressing DRGs had increased tubulin-positive neuronal fiber and myelin preservation, while serotonergic and corticospinal descending fibers remained unaffected. We found that transplantation of NaChBac-expressing DRGs increased the neuronal excitatory input, seen by increased number of VGLUT2 contacts and decrease in VGAT contacts immediately caudal to the injuries. Together, the work in this thesis suggests that the transplantation of NaChBac-expressing dissociated DRGs rescues significant motor function by retaining an excitatory neuronal relay activity immediately caudal to injuries in a severe injury model and highlights the importance of maintenance of activity as an effective therapy for spinal cord injury. / Hingorani Jai Prakash, S. (2024). Genetically modified peripheral neurons transplant aided activity maintenance and secretome modulation: a novel strategy for spinal cord injury treatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206738

La maladie de Parkinson (MP) est une pathologie neurodégénérative associée principalement à une perte progressive de neurones dopaminergiques de la substance noire (SN) conduisant à une diminution de dopamine au niveau du striatum. Une des approches thérapeutiques expérimentales de la MP est la greffe de neurones dopaminergiques, non pas au niveau de la SN, mais directement dans la région cible, le striatum, et ceux avec des résultats variables. Dans cette étude, nous avons comparé en détail la récupération fonctionnelle suite à la transplantation de mésencéphale ventral (MV) fœtal provenant de souris exprimant la GFP sous le contrôle du promoteur de la tyrosine hydroxylase soit au niveau de la SN soit dans le striatum de souris adultes lésées unilatéralement à la 6-hydroxydopamine. Les conséquences anatomiques et fonctionnelles ont été analysées par des approches comportementales, électrophysiologiques et immunohistochimiques. Nos résultats montrent que les neurones greffés dans les deux emplacements envoient des projections vers le striatum. De plus, les deux types de greffes induisent une amélioration significative de la motricité ainsi que de l'activité des neurones du striatum. Toutefois, seule la greffe intranigrale a permis la restauration de la motricité fine des membres antérieurs et un retour à une excitabilité des neurones striataux à l’état basal. / Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder associated with a progressive loss of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN), leading to a loss of dopamine in the striatum. One of the experimental therapeutic approaches in PD is the graft of DA neurons not in their ontogenic site, the SN, but directly into the target region, the striatum and those leads to variable results. In this study, we have analyzed in detail the functional outcome of fetal VM tissue expressing GFP under the control of a tyrosine hydroxylase promoter grafts placed either into the SN or striatum in unilaterally 6-hydroxydopamine lesioned adult mice. Anatomical and functional outcome were analyzed using behavioral, electrophysiological and immunohistochemical approaches. Our results show that transplanted neurons in both locations can survive and re-innervate the striatum. Furthermore, both grafts locations significantly restored motor performance and induced the recovery of striatal firing properties. However, only intranigral transplantation allows recovery of fine motor skills of previous members and efficiently normalized cortico-striatal responses.

Les lésions cérébrales induisent une mort neuronale associée à des déficits fonctionnels importants. Afin de pallier aux capacités limitées de régénération spontanée des neurones du système nerveux central adulte, nous avons évalué, dans un modèle de lésion par aspiration du cortex moteur chez la souris adulte, le potentiel de stratégies de remplacement cellulaire par la transplantation de neurones embryonnaires ou dérivés de cellules souches, et la mobilisation des cellules souches endogènes présentes dans la zone sous-ventriculaire (ZSV). L'efficacité des neurones greffés dépend de leur capacité à adopter un phénotype neuronal approprié et à établir des projections spécifiques vers l'hôte. Nous avons montré que les cellules embryonnaires transplantées immédiatement après la lésion dans le cortex moteur lésé se différencient en neurones matures corticaux et envoient des projections appropriées vers les cibles du cortex moteur. Nous avons montré qu'introduire un délai d'une semaine entre la lésion du cortex moteur et la transplantation augmente la vascularisation et la prolifération des cellules transplantées, ainsi que la densité des projections qu'elles développent. Par ailleurs, nous avons étudié la possibilité de générer des neurones corticaux à partir de cellules souches humaines comme source alternative de neurones à transplanter. Enfin, nous avons montré que la lésion du cortex moteur induit une augmentation de la prolifération cellulaire et de la neurogenèse dans la ZSV, et favorise la migration des neuroblastes de la ZSV vers le site de lésion. / Damage to the adult motor cortex can lead to severe deficits in motor function. One strategy for overcoming the generally limited capacity of the mature central nervous system to regenerate axons in response to cell loss is cell replacement based therapies. We studied brain repair strategies in a mouse model of motor cortex aspiration lesion by using transplantation of embryonic neurons or stem cells-derived neurons and by evaluating the potential of endogenous stem cells found in the subventricular zone. Neuronal transplantation efficacy depends on the capacity of the transplanted cells to developp into appropriate neuronal phenotype and establishment of specific connections. We have shown that embryonic cells grafted immediately after lesion into the lesioned motor cortex develop into mature neurons with appropriate phenotype and establish projections towards appropriate targets. We have shown that introducing a delay of one week between motor cortex lesion and transplantation enhances graft vascularization, grafted cells proliferation and the density of transplant-to-host projections. Besides, we have studied the possibility to generate cortical neurons from human stem cells as an alternative source of neurons for transplantation. Finally, recruitment of endogenous stem cells found in the SVZ was examined in a mouse model of cortical lesion. We have shown that motor cortex injury increases cellular proliferation and neurogenesis in the SVZ and the migration of neuroblasts near the lesion site via blood vessels and astrocytes assisted migration.

Les lésions du système nerveux central (SNC) entraînent une perte neuronale associée à des déficits fonctionnels importants. En réponse à une lésion, les capacités de repousse axonale et de régénération spontanée des neurones du SNC sont limitées. Nous avons évalué, dans un modèle de lésion corticale chez la souris adulte, le potentiel des greffes de neurones corticaux embryonnaires à réparer les voies corticales lésées. L'efficacité de cette approche thérapeutique dépend (1) du degré de survie des cellules greffées, (2) de la capacité des cellules greffées à se différencier en type neuronal approprié et (3) de la capacité des neurones greffés à restaurer les voies corticales endommagées de façon spécifiques. Nous avons montré que les neurones embryonnaires corticaux d'origine du cortex moteur transplantés immédiatement après la lésion du cortex moteur adulte se différencient en neurones matures exprimant les mêmes neurotransmetteurs et marqueurs de couches corticales que ceux du cortex normal. De plus, les neurones transplantés développent des projections vers les cibles corticales et sous corticales appropriées. Par ailleurs, nous avons étudié l'influence de la neuroinflammation post-lésionnelle sur la survie des neurones transplantés et, l'influence des neurones transplantés sur la neuroinflammation de l'hôte. / Central nervous system (CNS) lesions leads to a neuronal loss associated with significant functional deficits. In response to injury, the capacity of spontaneous axonal regrowth and regeneration of neurons in the CNS are limited. We evaluated in a model of cortical lesion in adult mice, the potential of embryonic cortical neurons grafts to repair the injured cortical pathways. The efficacy of this therapeutic approach depends on (1) the degree of survival of transplanted cells, (2) the ability of the grafted cells to differentiate into neuronal appropriate type and (3) the ability of the transplanted neurons to restore damaged cortical pathways. We have shown that embryonic cortical neurons transplanted immediately after the injury of the adult motor cortex differentiate into mature neurons expressing the same neurotransmitters and markers of cortical layers that are normally expressed by intact cortex. Furthermore, the transplanted neurons develop projections to the appropriate cortical and sub-cortical targets. Furthermore, we studied the influence of post-traumatic neuroinflammation on the survival of transplanted neurons and the influence of transplanted neurons on host neuroinflammation.