MRI-guided, intrathecal delivery of hydrogel-embedded glial progenitors for treatment of amyotrophic lateral sclerosis

Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er en agresssiv nevrodegenerativ lidelse uten helbredelse. Pasienter som lider av ALS vil vanligvis dø innen 2-5 år etter diagnosen. Nylige fremskritt innen stamceller og nanoteknologi har gitt håp om gjennombrudd for behandling. Det har nylig blitt rapportert at gliaceller har en betydelig rolle for riktig funksjon av motoriske nerveceller, og effektive metoder for å isolere gliaceller (GPR) er etablert. Modeller med gnagere har vist at GPR har stort terapeutisk potensiale. En cellebasert terapi er avhengig av effektiv levering av celler til områder med degenererte motoriske nevroner. Gjennom å bruke ny nanomedisin, for å karakterisere og overvåke celleleveringssystemer og progresjon i behandlingen, ønsket vi å administrere GRP til ryggmargen med mål om å redde lungefunksjon, som er et primært problem i ALS. For å bedre overlevelse og differensiering av de transplanterte cellene, vil vi utnytte vekstfaktorer på nanobærere som vil bli integrert med celler inn i en alginatgel for langsom frigjøring. Både celler og gel ble merket med MR-synlige markører for overvåking, fordeling, stabilitet og degradering av alginatgel samt cellemigrasjon. En hydrogel-formulering som støtter overlevelse av inkorporerte celler har blitt etablert og det har blitt utført intratekal injeksjon i cerebrospinalvæske (CSF) i en svinemodell. Fokuset under disse injeksjonene var gjennomførbarhet og sikkerhet. Injeksjon i CSF er knyttet til høy usikkerhet rundt distribusjon av hydrogelen, og dette var en viktig motivasjon for å utvikle en teknikk som tilrettelegger visualisering av denne prosedyren i sanntid. En alginat-hydrogel med Mn2+ som kontrastmiddel for MRI ble utviklet. Det har blitt jobbet med optimalisering av Mn-konsentrasjon i alginathydrogelen og studier av Mn-konsentrasjon har blitt utført for å avgjøre in vitro toksisitet med stamceller av svin (pMSCs). MRI-signalet ved både klinisk feltstyrke på 3 Tesla og høyfeltskanner på 7 Tesla har blitt vurdert. Den optimale konsentrasjon av MnCl2 for å oppnå høyest mulig MRI signal med lav toksisitet ble definert og benyttet i intratekal injeksjoner i svin. Det ble oppnådd god visualisering av hydrogelens plassering. Våre data med hydrogel visualisering ga grunnlag for en patentsøknad. For å effektivisere disse studiene og redusere antall dyr utviklet vi en fantom modellering av anatomiske forhold i ryggmarg. Vi brukte disse screening formuleringene som også støtter langtids visualisering. Vi identifisert tre formuleringer med tilfredsstillende injiserbarhet og stabilitet av MRI signal i minst en uke. Vi utviklet deretter to formuleringer; en for rask vurdering av biodistribution og signal bortfall innen 24 timer og en annen formulering som der hydrogelen er synlig med NMR i flere dager etter injeksjon. Vi har optimalisert alginat hydrogeler med mangan til Mr-guidet transplantasjon av celler i store dyr. De testede hydrogelene beholder sin struktur etter transplantasjon, som var et viktig mål i prosjektet. Mn forenkler MR-overvåking av distribusjon i sanntid under transplantasjon. Dette er svært viktig ettersom det muliggjør umiddelbar intervensjon og omplassering av kateteret for å justere biodistribusjon av hydrogelen. Rask klaring innen 24 timer er også en ønsket funksjon når diagnostisk bildebehandling etter gel levering er viktig i enkelte tilfeller. På den andre side, trengs det en annen formulering av hydrogelen for langtids observasjon av hydrogenen. For å oppnå dette har vi optimalisert hydrogeler der implementeringen av mangan oksid nanopartikler er brukt for å forlenge visualiseringstiden i magnetisk resonans etter administrering i tillegg til nye formuleringer av Mn-alginatpartikler. Det er videre i prosjektet optimalisert formuleringer av injiserbare hydrogeler (både alginat og HA) for intratekal levering i gnagere. Vi har forskjøvet sammensetningen av hydrogelen og timing av injeksjon for å forenkle injeksjon i Cisterna magna av ALS mus. Siden en av de viktigste målene for prosjektet er å utvikle Imaging verktøy for overvåking injeksjon og degradering av hydrogeler in vivo er hydrogelen som tidligere beskrevet, merket med Mn2 +. Praktisk talt alle elementer av denne oppgaven har en oppnådd god detekterbarhet med T1 vektet MRI. Det må også legges til at det har blitt etablert et start up selkap i Polen baset på resultatene vi har oppnådd i Nanotech4ALS-prosjektet.

NovaMatrix tasks for the project was to development of injectable hydrogel formulations, rheological verification of formulation functionality and gel characterization. The development of intrathecally injectable and MRI-traceable hydrogel/nanocarrier composites may have a wide array of applications beyond the current application for treatment of ALS. The cells embedded within a hydrogels and supported by growth factor-laden nanocarriers could also be applied for treatment of other diseases with pathology in the spinal cord such as multiple sclerosis, transverse myelitis, ischemia or trauma. Hydrogels with highly tunable biodegradation and precise method of delivery in concert with the nanocarrier features could be used for slow release drug delivery to the spinal cord. NovaMatrix has successfully developed injectable hydrogels with real time MRI visibility and with functionality to serve cell theraphy applications.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disorder with no cure. Patients who suffer from ALS pypically die within 2-5 years of diagnosis. Recent progress in the field of stem cells and nanotechnology has raised hope for a treatment breakthrough. The significant role of glia for the proper function of motor neurons has been recently reported, and efficient methods to isolate glial restricted progenitors (GRPs) have been established. Rodent models have shown that GRPs display high therapeutic potential; however, due to disseminated pathology in ALS, efficacy of cell-based therapy is contingent upon effective delivery of cells to sites of motor neuron degeneration. Thus we propose to use novel nanomedicine and imaging tools, to characterize cell delivery systems and monitor cell treatment progression. We will use human fetal GRPs and deliver them intrathecally targeting the cells primarily to the cervical spinal cord with the goal of rescuing respiratory function, which is a primary problem in ALS. To improve survival and differentiation of transplanted cells we will utilize growth factor-laden nanocarriers that will be embedded with cells into the hydrogel for slow release. Both cells and the gel will be labeled with MRI tracker for monitoring distribution, stability/degradation of the hydrogel and cell migration. We will first evaluate and optimize properties of the hydrogel in vitro focusing on biomechanical properties and supporting function for GRPs. We will then assess applicability of MRI for non-invasive monitoring of 19F-labeled hydrogel and SPIO-labeled GRPs. Hydrogel/nanocarrier/GRP composites will be delivered via the intrathecal route and evaluated in shiverer and SOD1 mice, followed by studies in pigs. For pig experiments we will use porcine GRPs (allografts) to maintain full relevance to human allotransplantation studies.Finally we will perform pre-clinical study in dogs suffering from degenerative myelopathy.