Repeated systemic transplantation of mesenchymal stromal cells : a therapeutic strategy for Machado-Joseph Disease?

Abstract

Machado-Joseph disease (MJD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder caused by the expansion of a CAG codon repeat in the MJD1 gene. This genetic mutation translates into a polyglutamine tract conferring a toxic function to ataxin-3 protein, a deubiquitinating enzyme. The mutated protein tends to aggregate and form intranuclear inclusions, leading to neuronal dysfunction and degeneration of several tissues of the nervous system, being the cerebellum the main region affected. This results in a severe neuropathologic disorder characterized by ataxia, dyshartria, dysphagia, parkinsonism, among other symptoms. Currently, there is no cure for this disease. A possible approach to prevent the progression of MJD would be the use of mesenchymal stromal cells (MSCs) as a cellular therapy. MSCs are multipotent stem cells that can promote tissue preservation and regeneration through the secretion of several molecules such as growth factors, cytokines or exosomes. MSCs have been proven to exert therapeutic effects in several neurodegenerative disorders. Moreover, they are currently being tested in human clinical trials for hereditary ataxias, but there are no pre-clinical studies showing the benefits of using MSCs in MJD, and since each neurodegenerative disorder has its proper neuropathological features, MSCs mode of action may be different according to its clinical scenario. Previous work from our group has determined that a single injection of MSCs in a transgenic mouse model for MJD, via local injection in the cerebellum or in the lateral ventricle, has resulted in temporary alleviation of transgenic mice phenotype and neuropathology (unpublished data). Furthermore, some preliminary results from clinical trials have reported that some patients regressed to the previous stage only a few months after the treatment. Therefore, the aim of this study was to provide evidences that a continuous systemic treatment with MSCs would produce sustainable therapeutic effects in MJD. In the present study, we have used a transgenic mouse model of MJD to test a periodic treatment with bone marrow-derived MSCs. Four intravenous administrations of MSCs were performed, with a 2-week interval between each other, and both behavioral testing and neuropathology analysis were performed in MSCs-treated and non-treated MJD transgenic mice to evaluate their progressive status. Results obtained have shown that MSCs treatment improved motor impairments that were maintained throughout time. Accordingly, MSCs could alleviate the characteristic cerebellar atrophy in treated mice. With the present work, we provided evidences that treatment with MSCs, if administered periodically, can become an excellent therapy for MJD patients, and probably patients with other spinocerebellar ataxias. Future studies more prolonged in time should be however performed to guarantee that MJD symptoms do not worsen in later stages of the disease.

A doença de Machado-Joseph (DMJ) é uma doença neurológica hereditária, transmitida à descendência de forma autossómica dominante. É causada por uma mutação no gene MJD1, que se traduz por uma expansão de repetições do códão CAG neste gene. Esta alteração genética leva ao aumento do número de poliglutaminas na proteína ataxina-3 que, por sua vez, adquire toxicidade. Quando a ataxina-3 se encontra mutada, ocorre a formação de agregados intranucleares e, consequentemente, diversos tecidos do sistema nervoso sofrem degenerescência. Estas alterações traduzem-se num fenótipo neuropatológico bastante severo, caracterizado por ataxia, disartria, disfagia, entre outros sintomas. Actualmente, não existe nenhum tratamento eficaz para esta patologia. Uma terapia celular baseada no uso de células mesenquimatosas do estroma (CMEs) surge como uma possível estratégia terapêutica para prevenir o avanço do processo de neurodegenerescência. As CMEs são progenitores estaminais multipotentes, que promovem a preservação e regeneração de tecidos lesados através da secreção de diversas moléculas, como factores de crescimento, citoquinas e exossomas. O seu potencial terapêutico foi demonstrado em várias doenças neurodegenerativas e, neste momento, existem ensaios clínicos a decorrer que estão a avaliar as CMEs como estratégia terapêutica em ataxias hereditárias. No entanto, não existem estudos pré-clínicos que avaliem os efeitos das CMEs em DMJ e, uma vez que cada doença neurológica apresenta alterações patológicas características, o mecanismo de acção das células poderá divergir de acordo com o quadro clínico de cada patologia. Foi anteriormente desenvolvido um trabalho no nosso grupo que revelou que uma única injecção de CMEs efectuada num modelo de ratinho transgénico de DMJ, quer através de injecção local no cerebelo, quer no ventrículo lateral, resultou em melhorias temporárias fenotípicas e neuropatológicas dos ratinhos transgénicos (resultados não publicados). Para além disso, alguns resultados preliminares de ensaios clínicos demonstraram que alguns pacientes regrediram para o estado inicial da doença apenas alguns meses após o tratamento. Assim, o objectivo deste estudo foi mostrar evidências de que um tratamento periódico com CMEs, através da via sistémica, poderia induzir efeitos terapêuticos que fossem mantidos ao longo do tempo em DMJ. Para isso, no presente estudo utilizámos um modelo transgénico de ratinho de DMJ para testar um tratamento repetido com CMEs derivadas da medula óssea nesta doença. O tratamento consistiu em quatro injecções intravenosas de CMEs, espaçadas por intervalos de duas semanas entre si. Animais transgénicos tratados e não tratados foram sujeitos a testes comportamentais para análise da função motora ao longo do tempo, bem como à avaliação da sua condição neuropatológica. Os resultados obtidos demonstraram que o tratamento com CMEs induziu melhorias a nível motor, que foram mantidas ao longo do tempo. Além disso, a atrofia cerebelar característica dos ratinhos transgénicos de DMJ foi mitigada em animais tratados com CMEs. Este estudo mostrou evidências de que o tratamento com CMEs, quando administrado periodicamente e de forma continuada, pode ser uma boa estratégia terapêutica para pacientes com DMJ e, possivelmente, outras ataxias espinocerebelares. No futuro, deveriam ser realizados estudos com um tempo de duração superior, de modo a garantir que os sintomas observados em DMJ não são agravados em fases mais tardias da doença.