Spinal cord injury: can recovery be achieved through the spleen?

Abstract

A lesão da medula espinhal (LME) é uma doença neurológica devastadora com um forte impacto na vida das pessoas afetadas, sendo por isso urgente o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas. Após a LME, a resposta inflamatória é um importante fator para a continuação de danos secundários no tecido neural. Os macrófagos que infiltram a medula espinal podem adquirir um espectro de estados de ativação, no entanto, o microambiente no local da LME favorece a polarização dos macrófagos num fenótipo pró-inflamatório. Este é um dos principais motivos por que ensaios clínicos que transplantaram macrófagos falharam no passado. Foi anteriormente demonstrado que após a LME a medula espinhal é primeiramente infiltrada por macrófagos originados do reservatório de monócitos do baço. Deste modo, é apelativo estudar estes monócitos bem como a sua capacidade para serem polarizados em macrófagos com fenótipos anti-inflamatórios e reparadores. Portanto, nesta tese, investigamos o potencial terapêutico do secretoma de macrófagos do baço para a recuperação da LME e, em vez de transplantar as células, injetámos os fatores parácrinos e as vesículas extracelulares que eles secretam, evitando a perda do fenótipo das células transplantadas devido a sinais do microambiente local. Primeiro, investigámos o efeito do secretoma in vitro usando neurónios periféricos e derivados do SNC e células-tronco neurais humanas. Além disso, realizamos um ensaio pré-clínico em ratinhos e analisámos a recuperação das funções motoras, sensoriais e autonómicas. Demonstrámos que diferentes fenótipos de macrófagos têm um efeito distinto no crescimento e sobrevivência neuronal, nomeadamente, a ativação alternativa com IL-10 e TGF-β1 (M(IL-10 + TGF-β1)) promove regeneração axonal significativa. Observamos também que a injeção sistêmica de fatores solúveis e vesículas extracelulares derivadas de macrófagos M(IL-10 + TGF-β1) promove recuperação funcional significativa após lesão medular compressiva e leva a maior sobrevivência dos neurónios da medula espinhal. Além disso, o secretoma de M(IL-10 + TGF-β1) apoiou a recuperação da função da bexiga e diminuiu a ativação microglial, astrogliose e cicatriz fibrótica na medula espinhal. A análise proteómica do secretoma derivado de M(IL-10 + TGF-β1) identificou grupos de proteínas envolvidas na extensão dos axónios, manutenção das espinhas dendríticas, estabelecimento da polaridade celular e regulação da ativação astrocítica. Globalmente, os nossos resultados demonstraram que os fatores solúveis e vesículas extracelulares produzidos pelos macrófagos podem ser uma terapia promissora para LME, com possíveis aplicações clínicas.

Spinal cord injury (SCI) constitutes a debilitating neurological disorder with a strong impact in the persons affected. Therefore, it is urgent to develop new therapeutic strategies. The inflammatory response post-SCI significantly contributes to secondary damage of the neural tissue. Infiltrating macrophages can acquire a spectrum of activation states, however, the microenvironment at the SCI site tends to polarize them towards a pro-inflammatory phenotype, hindering the success of macrophage transplantation. The first wave of macrophages that infiltrated the spinal cord originated from splenic monocyte reservoir. Thus, it is appealing to comprehend the function of these macrophages and understand the therapeutic potential of the alternatively activated anti-inflammatory phenotypes. Therefore, in this thesis, we explored the therapeutic potential of the spleen macrophage secretome for SCI recovery. Instead of transplanting the cells, we injected the paracrine factors and extracellular vesicles secreted by macrophages, mitigating the risk of phenotype loss of the transplanted cells due to local environmental cues. Initially, we investigated the effect of the secretome in vitro using peripheral and CNS-derived neurons as well as human neural stem cells. Subsequently, a pre-clinical trial using a mouse model with SCI compression was conducted to analyze the recovery of motor, sensory and autonomic functions. Our findings indicate that different macrophage phenotypes have a distinct effect on neuronal growth and survival. Notably, the alternative activation with IL-10 and TGF-β1 (M(IL-10+TGF-β1)) significantly promotes axonal regeneration. We also observed that systemic injection of secretome derived from M(IL-10+TGF-β1) macrophages promotes significant functional recovery after compressive SCI, accompanied by increased survival of spinal cord neurons. Additionally, the M(IL-10+TGF-β1) secretome supported the recovery of bladder function and decreased microglial activation, astrogliosis and fibrotic scar in the spinal cord. Proteomic analysis of the M(IL-10+TGF-β1)-derived secretome identified protein clusters crucial for axon extension, dendritic spine maintenance, cell polarity establishment, and regulation of astrocytic activation. Collectively, this thesis underscores the potential of macrophages-derived soluble factors and extracellular vesicles as a promising therapy for SCI, with possible clinical applications.