Background: Transplantation of mesenchymal stem cells (MSCs) is one of the most promising directions in the treatment of idiopathic pulmonary fibrosis. In experimental small animal studies, intravenous and endobronchial (installation) techniques are used for the cell preparation delivery, while in humans inhalation of drugs is the simplest and most available method.
Aim: The aim of the study was to determine the optimal type of a nebulizer for viability of MSCs during nebulization, followed by a comparison of the effects of inhalation and intravenous delivery methods in a standard model of bleomycin pulmonary fibrosis in rabbits.
Methods: At the first stage, the survival of MSCs was assessed ex vivo after 10 minutes of compressor, ultrasound and mesh nebulization. Subsequently we used a nebulizer, which showed the best result in the cells, viability. At the next stage аfter bronchoscopic installation of bleomycin, 5 rabbits received intravenous transplantation of 2×106 allogeneic BMMSCs, other 5 rabbits — 2×107 MSCs inhaled via a compressor nebulizer; the control healthy and bleomycin groups included 5 animals each.
Results: The highest degree of viability of MSC was maintained after passing via the compressor nebulizer (72%), a significantly lower survival rate was observed in ultrasonic nebulization (20%) and no live cells were detected after mesh nebulization. Both groups treated with MSC had a significantly lower fibrosis index on the Ashcroft morphometric scale than the control group of bleomycin fibrosis. Collagen expression in the lung tissue was significantly higher in all the groups with bleomycin injury, but in animals which underwent MSC inhalation, it was significantly different (0.51 point) from the bleomycin group without treatment (2.1 points). The level of neutrophils in the BAL fluid was significantly lower in animals which received the intravenous MSC therapy. The levels of TNF-α and TGF-β1 in the BAL fluids tended to decrease in the treatment groups, but did not differ significantly from control.
Conclusions: The highest survival rate of MSCs is observed when using a compressor nebulizer, which apparently should be considered as the best way for delivering cells to the respiratory tract. Both inhalation and intravenous administration of MSCs cause similar effects of inhibiting the development of bleomycin-induced pulmonary fibrosis, which indicates the possibility of using both ways of cell delivery without loss of effectiveness.
Обоснование. Одним из перспективных направлений лечения идиопатического легочного фиброза является трансплантация мезенхимальных стволовых клеток. В экспериментальных исследованиях на мелких животных используются внутривенный и эндобронхиальный (инсталляции) методы доставки клеточного препарата, в то время как у человека наиболее простым и доступным является ингаляционный способ доставки лекарств.
Цель — определение оптимального типа небулайзера для сохранения жизнеспособных мезенхимальных стволовых клеток (МСК) при распылении с последующим сравнением эффектов ингаляционного и внутривенного методов доставки на стандартной модели блеомицинового легочного фиброза у кроликов.
Методы. На первом этапе проводилась оценка выживаемости МСК ex vivo после 10-минутной небулизации через компрессорный, ультразвуковой и сетчатый (меш) небулайзеры. В дальнейшем использовался небулайзер, продемонстрировавший сохранность наибольшего числа клеток после распыления. На втором этапе, после бронхоскопической инсталляции блеомицина, 5 кроликов получили в заднюю правую долю внутривенную трансплантацию 2×106 аллогенных МСК, 5 — 2×107 МСК ингаляционно через компрессорный небулайзер; по 5 животных использовались в качестве здорового и блеомицинового контроля без лечения.
Результаты. Наибольшая степень жизнеспособности МСК сохранялась после прохождения через компрессорный небулайзер (72%), существенно меньшая выживаемость наблюдалась при ультразвуковой небулизации (20%) и не определялось живых клеток после меш-небулизации. Обе группы, получавшие лечение МСК, имели достоверно более низкий индекс фиброза по морфометрической шкале Эшкрофта, чем контрольная группа блеомицинового фиброза. Экспрессия коллагена в ткани легких была существенно выше во всех группах с блеомициновой травмой, но у животных при ингаляционном введении МСК она достоверно отличалась (0,51 балла) от группы блеомицина без лечения (2,1 балла). Уровень нейтрофилов в жидкости бронхоальвеолярного лаважа был достоверно ниже у животных, получивших внутривенную терапию МСК. Уровни TNFα и TGFβ1 в жидкости бронхоальвеолярного лаважа имели тенденцию к уменьшению в группах лечения, но достоверно не различались от контроля.
Выводы. Наибольшая выживаемость МСК наблюдается при прохождении через компрессорный небулайзер, который, по-видимому, следует рассматривать в качестве оптимального средства для доставки клеток в дыхательные пути. Как при ингаляционном, так и при внутривенном введении МСК наблюдаются сходные эффекты — торможение развития блеомицининдуцированного фиброза легких, что свидетельствует о возможности использования обоих путей доставки клеток без потери эффективности.