Local delivery of cyclosporine and erythropoietin promote functional recovery in a rodent model of stroke injury by endogenous tissue repair

In the adult brain, endogenous neural stem and progenitor cells (NSPCs) can be stimulated to promote tissue and functional repair after traumatic injury, such as stroke. Cyclosporine (CsA) stimulates endogenous neural stem cells and erythropoietin (EPO) promotes neurogenesis, making their dual delivery compelling for investigation. However, the blood brain barrier poses a significant challenge for drug-based neural repair strategies. To overcome this barrier, a minimally invasive polymer system was developed for local drug delivery to the brain. The polymer system is composed of a hyaluronan and methylcellulose (HAMC) hydrogel depot carrying drug-loaded poly(lactic-co-glycolic) acid microparticles. The hydrogel depot was delivered epi-cortically, onto the surface of the brain, in a rat model of transient ischemic stroke. Local delivery with the polymer system was compared to systemic delivery using osmotic minipumps, with CsA serving as a model compound. With local delivery, higher tissue concentrations of CsA were achieved in the brain and significantly reduced concentrations were observed in non-targeted organs, compared to systemic delivery. The system was expanded to co-release CsA and EPO and the effects on post-stroke motor recovery and chronic tissue repair were evaluated. Both drugs were released for 4 weeks post-implantation and diffused to the sub-cortical NSPC niche located along the lateral walls of the ventricles. Only co-delivery of CsA and EPO (relative to all other controls, including delivery of each drug alone) increased and accelerated recovery in two different forelimb motor tasks: cylinder and staircase. Differential effects of the two drugs were seen on NSPC stimulation and synaptic plasticity: EPO increased the number of NSPCs found in the ventricles while CsA increased the number of proliferating NSPCs and synaptic plasticity in the striatum. Only the combination of CsA and EPO decreased the stroke lesion volume. Combined, this work demonstrates that local drug delivery with the polymer system can stimulate endogenous brain repair. This approach is amenable to a wide range of drugs that can target different aspects of tissue repair and can be combined with other reparative approaches, such as cell delivery or rehabilitation therapy, to enhance recovery after stroke. Στον ενήλικο εγκέφαλο, ενδογενή νευρικά βλαστοκύτταρα και προγονικά κύτταρα (NSPCs) μπορούν να διεγερθούν για να προωθήσουν ιστούς και λειτουργική αποκατάσταση μετά από τραυματικές βλάβες, όπως εγκεφαλικό επεισόδιο. Η κυκλοσπορίνη (CsA) διεγείρει τα ενδογενή νευρικά βλαστικά κύτταρα και η ερυθροποιητίνη (ΕΡΟ) προάγει τη νευρογένεση, καθιστώντας τη διπλή απεικόνισή τους επιτακτική για τη διερεύνηση. Ωστόσο, το φράγμα αίματος εγκεφάλου αποτελεί σημαντική πρόκληση για τις στρατηγικές νευρικής αποκατάστασης που βασίζονται σε φάρμακα. Για να ξεπεραστεί αυτός ο φραγμός, αναπτύχθηκε ένα ελάχιστα επεμβατικό σύστημα πολυμερούς για την τοπική χορήγηση φαρμάκου στον εγκέφαλο. Το σύστημα πολυμερούς αποτελείται από ένα υδραυλικό πήκτωμα υαλουρονάνης και μεθυλοκυτταρίνης (HAMC) που φέρει μικροσωματίδια πολυ (γαλακτικό-συν-γλυκολικό) οξύ φορτισμένο με φάρμακο. Η αποθήκη υδρογέλης απελευθερώθηκε επιδερμικώς, επάνω στην επιφάνεια του εγκεφάλου, σε μοντέλο αρουραίου παροδικού ισχαιμικού αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου. Η τοπική απελευθέρωση με το πολυμερές σύστημα συγκρίθηκε με συστηματική χορήγηση με χρήση οσμωτικών μίνι αντλιών, με CsA να χρησιμεύει ως ένωση μοντέλου. Με την τοπική χορήγηση, υψηλότερες συγκεντρώσεις ιστού CsA επιτεύχθηκαν στον εγκέφαλο και παρατηρήθηκαν σημαντικά μειωμένες συγκεντρώσεις σε μη στοχευμένα όργανα, σε σύγκριση με συστηματική χορήγηση. Το σύστημα επεκτάθηκε για να συν-απελευθερώσει CsA και ΕΡΟ και αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις στην αποκατάσταση μετά από εγκεφαλικό επεισόδιο κινητήρα και χρόνια αποκατάσταση ιστού. Και τα δύο φάρμακα απελευθερώθηκαν για 4 εβδομάδες μετά την εμφύτευση και διαχέονται στην υποφλοιώδη θέση NSPC που βρίσκεται κατά μήκος των πλευρικών τοιχωμάτων των κοιλιών. Μόνο η παράδοση των CsA και EPO (σε σχέση με όλους τους άλλους ελέγχους, συμπεριλαμβανομένης της παράδοσης κάθε φαρμάκου και μόνο) αύξησε και επιτάχυνε την ανάκτηση σε δύο διαφορετικά καθήκοντα του κινητήρα: κύλινδρο και σκάλα. Διαφορετικές επιδράσεις των δύο φαρμάκων παρατηρήθηκαν σε διέγερση NSPC και συνοπτική πλαστικότητα: Η ΕΡΟ αύξησε τον αριθμό των NSPCs που βρέθηκαν στις κοιλίες ενώ η CsA αύξησε τον αριθμό των πολλαπλασιαστικών NSPCs και της συναπτικής πλαστικότητας στο ραβδωτό σώμα. Μόνο ο συνδυασμός CsA και ΕΡΟ μείωσε τον όγκο της βλάβης του εγκεφαλικού. Σε συνδυασμό, αυτή η εργασία καταδεικνύει ότι η τοπική χορήγηση φαρμάκου με το πολυμερές σύστημα μπορεί να διεγείρει την ενδογενή επισκευή του εγκεφάλου. Αυτή η προσέγγιση είναι επιδεκτική σε ένα ευρύ φάσμα φαρμάκων που μπορούν να στοχεύουν διαφορετικές πτυχές της επισκευής ιστών και μπορούν να συνδυαστούν με άλλες προσεγγίσεις αποκατάστασης, όπως η χορήγηση κυττάρων ή η θεραπεία αποκατάστασης, για την ενίσχυση της ανάρρωσης μετά από εγκεφαλικό επεισόδιο.

Keywords: Brain repair
Drug delivery
Regenerative medicine
Stem cells
Stroke
Tissue engineering
Advisor: Shoichet, Molly S