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Bone marrow derived mesenchymal stem cells in the treatment of influenza virus-induced acute lung injury

Mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark als Therapeutikum für durch Influenza-Viren verursachte Pneumonie

Jankauskaite, Lina


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-131036
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2017/13103/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark , akutes Lungenversagen , Influenza Virus
Freie Schlagwörter (Englisch): Bone marrow derived mesenchymal stem cells , acute lung injury , influenza virus
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: UKGM , Innere Med II , Infektions Labor
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.08.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 07.09.2017
Kurzfassung auf Englisch: Influenza virus (IV) infects the upper respiratory tract and occasionally spreads to the alveolar compartment causing primary IV pneumonia. This frequently progresses to acute respiratory distress syndrome (ARDS) with severe alveolar damage, lung edema and hypoxemia, requiring mechanical ventilation or extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) procedures. Antiviral therapies are only effective in the very beginning of infection and specific treatment strategies for IV-induced ARDS are still lacking. Mesenchymal stem cells (MSC) are multi-potent stromal cells with anti-inflammatory and regenerative potential: recently they were attributed a beneficial role in acute and chronic lung injury. This study investigated MSC delivery into the lung as a promising treatment strategy in IV-induced ARDS.
In this study MSC were isolated from bone marrow (mBM-MSC) of C57Bl6. These MSC had fibroblast-like shape and expressed stem cell-specific markers and demonstrated de-differentiation potential upon defined culture conditions. No phenotypic changes were observed until passage 18. Genome array analysis revealed a strong up-regulation of the genes involved in cell proliferation (cell division, cyclins), in interferon signaling (ISGs) and virus resistance (Mx2, Bst2/Tetherin) in infected alveolar epithelial cells (iAECs) co-cultured with BM-MSC compared to iAECs in monoculture. In ex vivo infection experiments, BM-MSC as well as their conditioned medium (CM) strongly diminished IV replication, increased AEC regeneration and consequently decreased IV-induced AEC apoptosis.
In vivo, intra-tracheal instillation of BM-MSC into C57BL/6 mice after 3 days post IV challenge strongly increased IV clearance, decreased alveolar injury and was associated with better outcome. Of note, BM-MSCs also increased the regenerative response of the epithelial stem/progenitor cell pool of the distal lung in vivo. Interferon alpha and beta receptor knockout (ifnar-/-) mice after IV infection could not clear the virus even under BM-MSCs treatment, demonstrating that the type I IFN pathway is responsible for the BM-MSC anti-viral (and concomitantly, anti-apoptotic) potential in vivo.
In conclusion, our ex vivo as well as in vivo experiments show a beneficial role of BM-MSCs in IV pneumonia and demonstrate the therapeutic potential of these cells in IV-induced lung injury. Furthermore, the upregulation of type I IFN signaling-related pathways suggests that these cells are activated in a pathogen-specific way in presence of virus, which enhances their beneficial properties.
Kurzfassung auf Deutsch: Influenza Virus (IV) infiziert die oberen Atemwege, kann sich aber auch bis in die Alveolen ausbreiten und eine primäre virale Pneumonie verursachen. In schweren Fällen kommt es zum akuten Lungenversagen (Acute Lung Injury(ALI)/ Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS)). ARDS ist gekennzeichnet durch eine schwere Schädigung des alveolären Epithels, die Ausbildung einer refraktären Hypoxämie und die Bildung von Lungenödemen. Eine antivirale Therapie ist nur in den ersten Stunden nach der Infektion wirksam, weitere Therapiemöglichkeiten für IV-induziertes ALI/ARDS sind noch nicht vorhanden. Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind multipotente Zellen, denen seit kurzem eine positive Wirkung auf die Entzündungsauflösung und Regenerierung des Lungenepithels bei akuter oder chronischer Verletzung zugeschrieben wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die intratracheale Applikation von MSC als vielversprechende Behandlungsmöglichkeit bei IV-induziertem ARDS untersucht.
In Rahmen dieser Studie wurden MSC aus dem Knochenmark (murine bone marrow MSC (BM-MSC)) von C57BL/6 Mäusen gewonnen. BM-MSC haben eine fibroblastenartige Form, exprimieren stammzellspezifische Marker und besitzen das Potential unter bestimmten Kulturbedingungen in andere Zelltypen zu differenzieren. Bis Passage 18 konnten keine phänotypischen Veränderungen in isolierten BM-MSC beobachtet werden. Der Einfluss von BM-MSC auf IV-infizierte primäre alveoläre Epithelzellen (infected alveolar epithelial cells (iAEC)) wurde in einem in vitro Ko-Kulturmodell untersucht und mit iAEC in Monokultur verglichen. Die Expressionsanalyse von ko-kultivierten iAEC zeigte eine deutliche Hochregulation von Genen, beteiligt an Prozessen der Zellproliferation (Zellteilung, Cycline), Interferon-Signalwegen (ISGs), sowie von Virusresistenzgenen (Mx2, Bst2/Tetherin). Des Weiteren wiesen iAEC in Ko-Kultur oder durch Zugabe von MSC-konditioniertem Medium eine stark verminderte Apoptose- und IV Replikationsrate, sowie eine erhöhte Regenerationsfähigkeit auf.
In in vivo Versuchen konnte durch die intratracheale Applikation von BM-MSC die Viruslast sowie die Schädigung des Alveolarepithels in IV-infizierten Mäusen deutlich verringert werden. Darüber hinaus konnte auch eine erhöhte Proliferationsrate der epithelialen Stamm/Progenitorzellen in der distalen Lunge detektiert werden. Insgesamt zeigt dies eine Verbesserung der Regenerationsfähigkeit des Lungenepithels durch die Gabe von BM-MSC. In weiteren in vivo Infektionsversuchen mit Interferon-/-Rezeptor-Knockout-Mäusen (ifnar-/-) konnte gezeigt werden, dass Typ I Interferon-induzierte Signalwege an den beobachteten antiviralen Effekten der BM-MSC-Gabe beteiligt sind. Infizierte ifnar-/- -Mäuse waren, auch nach BM-MSC-Applikation, nicht in der Lage die Viruslast in der Lunge zu verringern.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass die positive Rolle von BM-MSC in der IV-induzierten Pneumonie und dem damit verbunden therapeutischen Potential in in vitro und in vivo Versuchen klar dargelegt werden konnte. Des Weiteren lässt die Hochregulation der durch Typ I Interferon induzierten Signalwege vermuten, dass BM-MSC in der Gegenwart von IV spezifisch aktiviert werden, wodurch sich ihre vorteilhaften anti-viralen Eigenschaften noch erhöhen.
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