The influence of mesenchymal stromal cells of different genesis on energy metabolism in the rat somatosensory cortex during ischemia-reperfusion

Abstract

Вступ. Близько 60-80% порушень мозкового кровообігу припадає на ішемію, що призводить до великої смертності, інвалідизації в працездатному віці та економічному навантаженню на суспільство в розвинутих країнах світу. Мета: дослідити вплив ішемії-реперфузії на показники веглеводного та енергетичного обмінів у соматосенсорній корі щурів та визначити церебропротекторну дію мезенхімальних стромальних клітин (МСК) різного генезу, лізату МСК та референс-препарату цитиколіну. Методи. Експеримент проведено на 200 щурах-самцях лінії Вістар, розподілених на 9 груп. 1-а група включала інтактних тварин; 2-а група – псевдооперованих щурів; 3-а група – контрольна патологія (щурам цієї групи проводили ішемію-реперфузію внутрішньої сонної артеріїй однократно вводили в стегнову вену 0,9% розчин NaCl із розрахунку 2 мл/кг); 4-й групі тварин одразу після ішемії-реперфузії однократно трансплантували 106 клітин/тварину МСК із Вартонових драглів пуповини людини; 5-й групі – 106 клітин/тварину ембріональних фібробластів щура; 6-й групі – 106 клітин/тварину МСК жирової тканини людини; 7-й групі – 106 клітин/тварину стовбурових клітин, отриманих із жирової тканини щура; 8-й групі – одноразово вводили 0,2 мл/тварину лізату МСК Вартонових драглів людини; 9-й групі – референс-препарат цитиколін у дозі 250 мг/кг. Показники вуглеводного та енергетичного обмінів у соматосенсорній корі щурів за умов ішемії-реперфузії мозку й на тлі корекції досліджували на 7 та 14-добу. Результати. Встановлено, що після ішемії-реперфузії головного мозку в соматосенсорній корі щурів в досліджувані періоди спостерігалось підвищення рівня глюкози, лактату, співвідношення лактат/пірувату та зниження вмісту пірувату та сукцинатдегідрогенази. У групах піддослідних тварин, яким була проведена внутрішньовенна трансплантація МСК різного походження, лізату МСК та цитиколіну, достовірно зменшувалась пертурбація в метаболізмі глюкози, знижувався вміст лактату, підвищувались рівні пірувату та сукцинатдегідрогенази (р<0,05), відносно щурів із контрольною патологією. Більш виражений позитивний вплив у відновленні порушених енергетичних процесів та усунення метаболічного ацидозу спостерігали при застосуванні МСК Вартонових драглів пуповини людини. Висновки. Проведене дослідження продемонструвало, що експериментальна 20-хвилинна модельна ішемія-реперфузіяв щурів спричинила порушення вуглеводного й енергетичного балансу в соматосенсорній корі. МСК Вартонових драглів пуповини людини сприяли відновленню порушених енергетичних процесів у соматосенсорній корі та усували метаболічний ацидоз на рівні цитиколіну або краще за нього, що є однією з ланок механізму церебропротекторної дії МСК. За ефективністю ембріональні фібробласти щура дещо поступалися цитиколіну та МСК Вартонових драглів пуповини людини, що свідчить про більш високу церебропротекторну активність ксенотрансплантації.

Introduction. About 60-80% of cerebral circulation disorders are due to ischemia, that leads to high mortality, disability in working age and economic burden on society in developed countries of the world. Objective: To investigate the effect of ischemia-reperfusion on parameters of carbohydrate and energy exchanges in the rat somatosensory cortex and to determine the cerebroprotective action of mesenchymal stromal cells (MSCs) of various genesis, MSC lysate and the reference drug Citicoline. Methods. The study was performed on 200 male Wistar rats, divided into 9 groups. Group 1 included intact animals; group 2 – sham-operated rats; group 3 – control pathology (rats were subjected to ischemia-reperfusionby occlusion of the internal carotid arteries and injected with a 0.9% saline solution (2 ml/kg) into the femoral vein); group 4 – immediately after ischemia-reperfusionrats were transplanted with 106 MSC cells/animal derived from Wharton’s jelly of the human umbilical cord; group 5–106 cells/animal of rat embryonic fibroblasts; group 6 – 106 cells/animal derived from human adipose MSCs; group 7–106 cells/animal derived from rat adipose MSCs; group 8 – 0.2 ml/animal of lysate derived from Wharton’s jelly MSCs; group 9 –the reference drug Citicoline (250 mg/kg). Parameters of carbohydrate and energy metabolism in rat somatosensory cortex under the conditions of cerebral IR and on the background of correction studied on the 7th and 14th day. Results. It was found that after cerebral ischemia-reperfusion in the rat somatosensory cortex in research periods an increase in the levels of glucose, lactate, lactate/pyruvate ratio and a decrease in the content of pyruvate and succinate dehydrogenase were revealed. In the groups of experimental animals with intravenous transplantation of MSCs of various origins, MSC lysate and Citicoline, the perturbation in glucose metabolism was reduced, lactate content was decreased and the levels of pyruvate and succinate dehydrogenase were significantly increased (p<0.05), compared to rats with control pathology. A more pronounced positive effect in the recovery of disturbed energy processes and elimination of metabolic acidosis was observed with the use of human Wharton’s jelly-derived MSCs. Conclusions. The study demonstrated that experimental 20-minute model ischemia-reperfusion in rats caused a violation of the carbohydrate and energy balance in the somatosensory cortex. Human umbilical cord blood-derived MSCs contributed to the recovery of disturbed energy processes in the somatosensory cortex and eliminated metabolic acidosis at the level of Citicoline or better than it, which is one of the links of the mechanism of the cerebral protective action of MSCs. Embryonic rat fibroblasts were slightly inferior in efficiency to Citicoline and human umbilical cord Wharton’s jelly MSCs, which indicates a higher cerebroprotective activity of xenotransplantation.