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Promoting stroke recovery using delayed growth factor delivery : Contribution of ipsilesional versus contralesional pyramidal tract plasticity

Reitmeir, Raluca

Stroke incidence is increasing due to the rapidly aging population in developed countries. Whereas untreated acute middle cerebral artery occlusion (MCAO) causes death in 20% of patients and long-term disability in more than 70% of patients, acute stroke therapy with rapid vessel recanalization significantly reduces mortality without influencing functional recovery beyond the acute stroke phase. This lack of functional recovery suggests a need for innovative therapies that can restore function after stroke. The purpose of these studies was to examine the effects of delayed administration of the growth factors erythropoietin (Epo) and vascular endogenous growth factor (VEGF) on functional neurological recovery and pyramidal tract plasticity in mice. The first study investigated how subacute delivery of Epo, starting at 3 days after stroke onset and continuing for 30 days (1 I.U. /day or 10 I.U. /day; via mini osmotic pump), influenced neuronal survival, axonal sprouting and neurological function recovery in C57Bl6/j mice submitted to 30-min MCAO. Epo administered in a 10 I.U. /day dose, in contrast to the 1 I.U. /day administration, showed a significant increase in neuronal survival and CD31 + newly-formed capillaries. This vascular growth enabled further neuroregeneration processes. Functional behavioral tests showed a significant improvement of motor coordination (RotaRod test) and grip strength (Grips strength test) among mice with 10 I.U. /day Epo administration, with no improvement for the low dose group. To investigate the neurological changes underlying these results, two anterograde tract tracers (dextrane amines) were injected in the motor cortex ipsilateral and contralateral to the ischemic lesion, in mice treated with the higher Epo dose. Histological evaluation of the tracers, both at the level of rubral and facial nucleus, showed that functional recovery in these animals was due to an increase of contralateral projections, accompanied by a compensatory decrease of ipsilateral projections. In the second study, VEGF was investigated due to its dual actions on vessels and neurons, which have potential for promoting long distance axonal plasticity in the ischemic brain. Mice were submitted to 30 minutes MCAO, followed by the intraventricular delivery of normal saline or VEGF (0.004 or 0.02 µg/day) starting 3 days post-ischemia. The outcome parameters were functional neurological recovery, long distance axonal plasticity by anterograde tract tracing and cellular and molecular responses examined by histochemistry, RT-PCR and Western blots. VEGF promoted neurological recovery when administered at the higher dosage, by stimulating long distance axonal plasticity in the contralesional but not ipsilesional pyramidal tract system. This observation was accompanied by deactivation of matrix metalloproteinase-9 (MMP9) in the ipsilesional brain tissue and downregulation of axonal growth inhibitors and guidance molecules in the contralesional brain tissue. The results support the concept that brain plasticity is consistent with coordinated axonal growth responses both ipsilateral and contralateral to the site of stroke. Considering that Epo is well tolerated in humans, clinical studies are now conceivable in which Epo is applied in patients in the post-acute stroke phase.

Schlaganfall trägt zu erhöhter Mortalität und Morbidität trotz akut intensivmedizinischer Behandlung. Trotz vielversprechenden Ergebnisse von Seite der Akutbehandlung, die preklinische und klinische Versuche, die die Morbidität und Mortalität beim Schlaganfall in die postakute bis chronische Phase zu reduzieren versuchen, bleiben frustrierend. Nach dem Schlaganfall, das Hirnparenchym ist einem Reorganisationsprozess ausgesetzt indem vertiefte interzelluläre und zellulär-extrazelluläre Interaktionen eine wichtige Rolle spielen. Das Ontogenese Software wird „restarted“ und damit die endogene Plastizität nach dem Schlaganfall steigt. In wie fern wir diese Eigenschaft für therapeutische Zwecke „ausbeuten“ können bleibt bis jetzt unklar, allerdings man beobachtet bereits in viele Studien eine breitere Therapiefenster mit verlängertem Effekt und Erholungspotenzial nach dem Schlaganfall. In unserem Projekt haben wir mittels mehreren Readouts die Effekten von Erythropoietin (EPO) und Vascular endothelial growth factor (VEGF) auf die Neuroplastizität der langen Bahnen nach dem Schlaganfall untersucht. VEGF ist ein Wachstumsfaktor mit pleiotropen Effekte nach dem Schlaganfall und ist vor allem in die Astroglia und Mikroglia zusammen mit dem Rezeptoren VEGFR1 und VEGFR2 zu finden. In die akute Schlaganfall Phase VEGF ist für verschiedene Effekten in die Penumbra Region zuständig wie Förderung des neuronalen Überlebens, der Angiogenese Prozessen, der Proliferation von neuralen Stamzellen, deren Migration und Differenzierung. Anhalt neuen Studien wurde den VEGFR2 in den kontralesionalen Motorkortex nach dem Schlaganfall identifiziert . Diese Entdeckung weisst indirekt auf einer funktionelle Rolle der VEGF auf die kontralesionale Hemisphäre. Bis jetzt bleibt allerdings die Rolle der VEGF Therapie in die axonale Plastizität der langen Bahnen nach dem Schlaganfall unerforscht und dadurch auch seiner möglichen therapeutischen Rolle in die funktionelle Erholung. EPO ist ein Wachstumsfaktor mit einem breiten Spektrum der schon für klinische Verwendung zugelassen ist und damit zu einer schnelleren Translationsphase von preklinischen zu klinischen Experimenten geeignet ist. Die erste klinische Studie in der Erythropoietin nach dem Schlaganfall untersucht worden ist, zeigte eine Verbesserung der neurologischen Outcome mit Verkleinerung der ischämischen Schaden. In eine weitere Studie wurde dann der Effekt von EPO in 522 Patienten untersucht und zeigte dass die Verabreichung des EPO zusammen mit recombinant tissue-plasminogen activator (rt-PA) akut nach dem Schlaganfall zu einer signifikanten Nachblutung, Hirnödem und thromboembolische Ereignisse führte. Eine Falschinterpretation dieser Studie wird in die Zukunft für eine Ablehnung der EPO Therapie in Schlaganfall führen, obwohl eine alleinige Verabreichung des Epo eine Verbesserung zeigte. Unsere Studie untersucht die Effekte der Epo Therapie verabreicht drei Tage nach dem Schlaganfall mit Fokus auf die axonale Plastizität und funktionelle Erholung. Als Schlaganfall Model wurde eine 30 minutige Okklusion der A. cerebri media (MCAO) linkshemisphärisch durchgeführt. Die Verabreichung der Wachstumsfaktoren erfolgte am dritten postoperativen Tag mittels Alzet Pumpen die intraventrikulär implantiert wurden und eine kontinuierliche Verabreichung für verschiedene Zeitspannen gewährleistete. Als Kontrolle wurden die Pumpen mit NaCl 0.9% gefüllt und gemäss dem gleichen Protokoll intraventrikulär verabreicht. Sechs Wochen nach dem Schlaganfall und Therapie wurden die motorische Kortexanteile ipsi- und kontralesional mittels anterograden Tracttracers [Biotinyliertes Dextrane amid (BDA) in den kontralesionalen Motorkortex und Cascade Blue (CB) in den ipsilesionalen Motorkortex] markiert. Zwei Monate Postischämie wurden die Mäuse in Narkose getötet und das Gewebe für weitere molekularbiologische, biochemische, enzymologische, zytologische und genetische Untersuchungen verwendet. Die funktionelle Erholung als Korrelat zu Neurorehabilitation nach dem Schlaganfall wurde mittels RotaRod test, Grips strength test und Anxiety Test untersucht. Gemäss unseren Ergebnisse, VEGF und EPO Therapie verabreicht drei Tage nach dem Schlaganfall unterstützen die funktionelle Erholung durch koordinierte jedoch unterschiedliche Mechanismen die die Plastizität der langen Bahnen in der kontralesionalen Hemisphäre stimulieren. EPO zeigte vor allem eine vermehrte Translation der Plastizitätsgenen in der kontralesionalen Hemisphäre nach dem Schlaganfall die für eine erhöhte axonale Plastizität kontralesional verantwortlich waren. VEGF therapierten Tieren zeigten auch Erhöhung der axonalen Plastizität nach dem Schlaganfall kontralesional aber auf molekularer Ebene war das Effekt am besten durch eine Unterregulation von Plastizität hemmenden Substanzen in der Extrazellulären Matrix zu erklären.

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Reitmeir, Raluca: Promoting stroke recovery using delayed growth factor delivery. Contribution of ipsilesional versus contralesional pyramidal tract plasticity. 2014.

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