Superparamagnetic nanoparticles for cell tracking and magnetic vectorization in ischemic stroke

Las enfermedades cerebrovasculares son la segunda causa de muerte y la primera de discapacidad en países desarrollados. Sin embargo, las terapias disponibles son limitadas. La trombolisis farmacológica o la reperfusión mecánica son las estrategias que reportan mejores beneficios a los pacientes, en términos de pronóstico neurológico, siendo el activador tisular del plasminógeno recombinante (rt-PA) el más común de todos ellos. Recientemente, la terapia celular ha surgido como una estrategia prometedora frente a tratamientos farmacológicos convencionales debido a sus múltiples y potenciales mecanismos de acción, entre los cuales se han destacado la integración de las células administradas en los tejidos, procesos de inmunomodulación, o secreción de factores de crecimiento. Aspectos como el tipo celular, dosis, ventana terapéutica, toxicidad o la relación entre biodistribución y pronóstico deben ser todavía estudiados en profundidad. Aunque la administración sistémica es la preferida para la mayoría de los ensayos in vivo con células madre hasta el momento, no está claro todavía si las células administradas van a ejercer su efecto terapéutico desde el cerebro o desde otra parte del cuerpo. Para estudiar la biodistribución, se han desarrollado varias técnicas de imagen combinadas con marcajes celulares específicos siguiendo distintas rutas de administración. Estas técnicas aplicadas a terapia celular tienen un papel doble; el de seguimiento celular tras la inyección en tiempo real, y el de evaluación de la progresión de la patología. Hoy en día, la resonancia magnética nuclear (RMN) es una de las mejores herramientas de diagnóstico disponibles, no solo por la alta resolución de sus imágenes, sino también por su carácter no invasivo y radiación no ionizante. Sin embargo, las células inyectadas son demasiado pequeñas para poder ser visualizadas por RMN. Para su detección y estudio es necesario el uso de agentes de contraste como las nanopartículas superparamagnéticas, las cuales son una herramienta idónea para marcaje celular, no sólo por el alto contraste que generan en RMN, sino también por la reducida toxicidad y sencillez en el proceso de marcaje. Así, la hipótesis de este trabajo se basó en la síntesis de nanopartículas superparamagnéticas biocompatibles para seguimiento celular in vivo. Las células marcadas con estas nanopartículas superparamagnéticas pueden ser monitorizadas in vivo por técnicas de RMN y guiadas mediante campos magnéticos externos sin dañar a las células y proporcionando información de la biodistribución celular siguiendo distintas rutas de administración. Además, este marcaje nos permitirá el estudio de los efectos terapéuticos en un modelo animal de isquemia cerebral dependiendo de la localización de las células tras la administración

In Vivo Theranostics at the Peri-Infarct Region in Cerebral Ischemia

The use of theranostics in neurosciences has been rare to date because of the limitations imposed on the free delivery of substances to the brain by the blood-brain barrier. Here we report the development of a theranostic system for the treatment of stroke, a leading cause of death and disability in developed countries. We first performed a series of proteomic, immunoblotting and immunohistological studies to characterize the expression of molecular biomarkers for the so-called peri-infarct tissue, a key region of the brain for stroke treatment. We confirmed that the HSP72 protein is a suitable biomarker for the peri-infarct region, as it is selectively expressed by at-risk tissue for up to 7 days following cerebral ischemia. We also describe the development of anti-HSP72 vectorized stealth immunoliposomes containing imaging probes to make them traceable by conventional imaging techniques (fluorescence and MRI) that were used to encapsulate a therapeutic agent (citicoline) for the treatment of cerebral ischemia. We tested the molecular recognition capabilities of these nano-platforms in vitro together with their diagnostic and therapeutic properties in vivo, in an animal model of cerebral ischemia. Using MRI, we found that 80% of vectorized liposomes were located on the periphery of the ischemic lesion, and animals treated with citicoline encapsulated on these liposomes presented lesion volumes up to 30% smaller than animals treated with free (non-encapsulated) drugs. Our results show the potential of nanotechnology for the development of effective tools for the treatment of neurological diseases

Intraarterial route increases the risk of cerebral lesions after mesenchymal cell administration in animal model of ischemia

Mesenchymal stem cells (MSCs) are a promising clinical therapy for ischemic stroke. However, critical parameters, such as the most effective administration route, remain unclear. Intravenous (i.v.) and intraarterial (i.a.) delivery routes have yielded varied outcomes across studies, potentially due to the unknown MSCs distribution. We investigated whether MSCs reached the brain following i.a. or i.v. administration after transient cerebral ischemia in rats, and evaluated the therapeutic effects of both routes. MSCs were labeled with dextran-coated superparamagnetic nanoparticles for magnetic resonance imaging (MRI) cell tracking, transmission electron microscopy and immunohistological analysis. MSCs were found in the brain following i.a. but not i.v. administration. However, the i.a. route increased the risk of cerebral lesions and did not improve functional recovery. The i.v. delivery is safe but MCS do not reach the brain tissue, implying that treatment benefits observed for this route are not attributable to brain MCS engrafting after stroke.This study has been partially supported by grants from Axencia Galega de Innovación (Xunta de Galicia), the Instituto de Salud Carlos III (PI13/00292; PI14/01879), the Spanish Research Network on Cerebrovascular Diseases RETICS-INVICTUS (RD12/0014), Xunta de Galicia (Consellería Educación GRC2014/027), the European Commission program FEDER and Promoting Active Ageing program: Functional Nanostructures For Alzheimer’s Disease At Ultra-Early Stages” (Pana_686009), a Research and Innovation Project, funded within the EU Horizon 2020 Programme”. Furthermore, this study was also co-funded within the POCTEP (Operational Programme for Cross-border Cooperation Spain-Portugal) program (0681_INVENNTA_1_E), co-financed by the ERDF (European Regional Development Fund). T. Sobrino (CP12/03121) and F. Campos (CP14/00154) are recipients of a research contract from Miguel Servet Program of Instituto de Salud Carlos III. Finally, P. Taboada thanks Mineco and Xunta de Galicia for funding through projects MAT2013-40971-R and EM2013-046, respectively. J Trekker is the recipient of an innovation grant from the IWT-VlaanderenS