Scholarly article on topic 'Stem cells and motor recovery after stroke'

Stem cells and motor recovery after stroke Academic research paper on "Clinical medicine"

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{Neurogenesis / "Stem cells" / Stroke / Rehabilitation / Neuroimaging / Neurogenèse / "Cellules souches" / "Accident vasculaire cérébral" / Réhabilitation / Neuroimagerie}

Abstract of research paper on Clinical medicine, author of scientific article — I. Loubinoux, B. Demain, C. Davoust, B. Plas, L. Vaysse

Abstract In stroke patients with severe persistent neurological deficits, alternative therapeutic modalities are limited. Stem cell therapy might be an opportunity when the safety profile of this approach will be achieved. This review will give possible mechanisms of restoration of function in animals and a statement of clinical trials in humans. The sources of neural stem cells for therapeutic use will be detailed. Potentials mechanisms of transplanted cell-mediated recovery are described with a particular emphasis on ipsilesional post-stroke plasticity. The optimal conditions for cell transplant therapy after stroke are evoked but not yet clearly defined. Finally, since multimodality imaging will be crucial in the post-transplantation patient assessment, the final part describes recent advances in the in vivo monitoring of repair progress.

Academic research paper on topic "Stem cells and motor recovery after stroke"


Available online at Elsevier Masson France

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Annals of Physical and Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx

Literature review / Revue de la littérature

Stem cells and motor recovery after stroke

Cellules souches et récupération motrice post-AVC I. Loubinouxa * b, B. Demain abc, C. Davoustab, B. Plasabd, L. Vaysseab

a Inserm, imagerie cérébrale et handicaps neurologiques UMR 825, 31059 Toulouse, France ' UPS, imagerie cerebrale et handicaps neurologiques UMR 825, universite de Toulouse, CHU Purpan, place du Dr-Baylac, 31059 Toulouse cedex 9, France

c CNRS-LAAS, 7, avenue du Colonel-Roche, 31077 Toulouse, France Pôle neurosciences, centre hospitalier universitaire de Toulouse, CHU Purpan, place du Dr-Baylac, 31059 Toulouse cedex 9, France

Received 9 August 2014; accepted 9 August 2014


In stroke patients with severe persistent neurological deficits, alternative therapeutic modalities are limited. Stem cell therapy might be an opportunity when the safety profile of this approach will be achieved. This review will give possible mechanisms of restoration of function in animals and a statement of clinical trials in humans. The sources of neural stem cells for therapeutic use will be detailed. Potentials mechanisms of transplanted cell-mediated recovery are described with a particular emphasis on ipsilesional post-stroke plasticity. The optimal conditions for cell transplant therapy after stroke are evoked but not yet clearly defined. Finally, since multimodality imaging will be crucial in the posttransplantation patient assessment, the final part describes recent advances in the in vivo monitoring of repair progress. # 2014 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Keywords: Neurogenesis; Stem cells; Stroke; Rehabilitation; Neuroimaging Résumé

Les modalites theirapeutiques alternatives sont limiteies pour les patients présentant des deficits neurologiques severes et persistants. La therapie cellulaire pourrait etre une opportunite therapeutique lorsque les criteres de sêicurite de cette approche seront remplis. Cette revue abordera les mecanismes possibles de restauration fonctionnelle chez l'animal et un etat des lieux des essais cliniques chez l'homme. Les sources de cellules souches neurales a usage therapeutique seront detaillèêes. Les mecanismes potentiels de recuperation induite par des transplants cellulaires sont decrits en detaillant particulierement la plasticite ipsilesionelle post-AVC. Les conditions optimales pour la therapie de transplantation cellulaire post-AVC sont evoquees quoique non encore clairement definies. Finalement, etant donne que l'imagerie multimodale sera cruciale pour revaluation des patients transplantes, la dernieere partie deecrit les avanceies récentes dans le monitorage in vivo des processus de réparation. # 2014 Elsevier Masson SAS. Tous droits réserves.

Mots clés : Neurogenèse ; Cellules souches ; Accident vasculaire cérébral ; Réhabilitation ; Neuroimagerie

1. English version

In stroke patients with severe persistent neurological deficits, alternative therapeutic modalities are limited. Stem cell therapy might be an opportunity when the safety profile of this approach

* Corresponding author. Inserm, imagerie cérébrale et handicaps neurologiques UMR 825, 31059 Toulouse, France.

E-mail address: (I. Loubinoux). 1877-0657/© 2014 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

will be achieved. Indeed, there are many fundamental issues that 46

need to be resolved before clinical utility can be clearly 47

formulated. Notably, the mechanisms of recovery by the grafted 48

cells need to be elucidated and the conditions of the graft clearly 49

defined. However, behavioral gains do not appear complete in 50

animal models of stroke. An extensive review on cell 51

transplantation in stroke animal models using human and non- 52

human stem cells has been published [1] as well as guidelines for Q3 53

preclinical and clinical guidelines [2]. 54


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The potential uses of stem cells for stroke to partially restore neuronal networks, astrocytic support and oligodendrocytes-derived myelinization are multiple but still largely theoretical [3]. Search for neurogenesis in the central nervous system of adult mammals has been long and controversial but the existence of persistent stem cells which have self-renewal capacity and can differentiated into the three fundamental neural lineage is now well established even in human [4]. This review will give possible mechanisms of restoration of function in animals and a statement of clinical trials in humans.

1.1. Sources of neural stem cells for therapeutic use

1.1.1. Mobilization of endogenous stem cells

There are two neurogenic areas in humans: the subven-tricular zone (SVZ) and the dentate gyrus of the hippocampus. One potential source of neural stem cells for neural repair is through the mobilization of endogenous stem cells, which can be enhanced by various means (pharmacological agents, exercise...). Cerebral infarction itself results in the mobilization of SVZ cells with cell migration to the site of injury. In the hippocampus dentate gyrus, neurogenesis is enhanced by a variety of stimuli, including seizures, exercise and even antidepressants. In order to promote neural repair, after proliferation, endogenous stem cells need to migrate to appropriate sites and undergo differentiation to become functional mature cells.

1.1.2. Transplantation of embryonic human neural stem cells

A large number of studies have explored transplantation of neural stem cells and their progeny in experimental stroke models and in limited clinical investigations. However, none of these studies really compared the source of stem cells or the method for cell isolation and culture. For transplantation in humans, embryonic stem-cell-derived neural stem cells could be used but their manipulation in vitro is still very problematic. Drawbacks for using fetal tissue include cellular heterogeneity, inability to obtain sufficient numbers of donors, and difficulty in sample preparation. Additionally, it is now well known that embryonic stem cells could form terratomas on transplantation, so thus posing a major safety problem with the use of embryonic stem cell.

1.1.3. Transplantation of adult neural stem cells

Another source is the adult neural stem cells or progenitor cells. Same drawbacks of cell preparation apply here. For research experiment, these cells can be obtained from tissues detached during surgery in epileptic patients or during neurosurgical procedure to treat hydrocephalus. Surgery on the stroke patient himself could be considered if and even if culture conditions allow sufficient proliferation for autogenic transplantation. Different preparations give rise to varying proportions of neurons and glia after transplantation, but oligodendrocytes were rarely observed. These cells represent an immense potential but the challenge is still to understand neural progenitor mechanisms of growth and appropriate differentiation.

1.1.4. Transplantation of human neural cell lines and IPs cells

Pure, postmitotic human neuronal cells can be generated from the immortalized NT2 (ntera-2) cell line derived from a human teratocarcinoma on exposure to retinoic acid. These differentiated hNT cells (also known as NT2 N cells or LBS neurons, Layton Bioscience, Inc.) maintain their neuronal phenotype both in vitro and in vivo for > one year without reverting to a neoplastic state when tested in animals. However, survival of transplanted cells is not always correlated with functional recovery. This finding highlights the need to determine the parameters required for cell-enhanced functional recovery.

More recently, ReNeuron Group has developed a human neural stem cell line (CTX0E03) using the technology (c-mycERTAM) to achieve conditional growth control. Removal of the 4-OHT and growth factors in vitro, prior to in vivo implantation, allows to switch off the c-myc gene thereby removing growth promotion and permitting cell differentiation into the three neural lineage. The cell line has been tested in rodent stroke models and in normal nonhuman primates. A Phase I clinical trial has been done. No cell or immune-related adverse events have been reported in any of the patients treated to date. Last year, interim data from 11 patients treated in the PISCES study were presented by the clinical site team presented at The European Stroke Conference 2014, with sustained reductions in neurological impairment and spasticity observed in all patients compared with their stable pre-treatment baseline performance ( press-release/interim-data-from-clinical-trial-of-reneuron-s-stem-cell-therapy-for-stroke-to-be-presented-at-leading-stroke-conference-longer-term-data-continue-to-show-good-safety-profile-and-evidence-of-sustained-reductions-in-neuro-logica). They suggest that the 11 people included in the study still experienced no adverse effects and showed a modest improvement in stroke-related symptoms. However, this research is still at a very early stage, the effectiveness and safety of this new cell line still need to be proved on a larger group of stroke patients with a placebo control group.

Neuronal cells can be also obtained from induced pluripotent stem cells (IPS cells). hiPS cells can be produced from the patient's skin fibroblasts, suggesting that iPS cells do not possess the immunoreactive problems associated with other cell sources. In addition, it has been reported that hiPS cells can differentiate into various kinds of neurons, including gluta-matergic, motor and dopaminergic neurons and can survive after transplantation in the rodent brain. However, before developing iPS cell therapy in a clinical setting, their tumorigenicity is a critical problem that needs to be overcome. Strategy to develop IPS cells without exogenous gene integration is today a huge challenge for the development of cell therapy treatments.

1.1.5. Transplantation of bone marrow-derived stem cells

Another source is cells derived from the bone marrow. When

exposed to selective growth factors, human BMSCs differentiate into cells expressing markers of neural progenitors. They


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163 218

164 also secrete numerous factors inducing neurotrophic effects, recovery [14,15], or corticospinal fiber crossing in the spinal cord 219

165 vascularization, stimulation of endogenous neurogenesis, and (1-2%) which positively correlated with better endpoint forepaw 220

166 modulation of the host immune response. Ongoing clinical trials function [16]. Therapeutic cells may be capable of enhancing 221

167 test in France, Spain, Brazil, and Great Britain autologous bone fundamental mechanisms for learning or relearning after stroke 222

168 marrow stem cells in Middle Cerebral Artery Acute Stroke, within circuits that they reconstruct or modulate [17]. 223

169 which prevents immunologic rejection (see http://www. clinical- New connections, however, may not contribute to clinically 224

170 Also, SanBio Inc. develops human bone marrow- useful sensorimotor activity without rehabilitative training. 225

171 derived neuroprogenitor cells as an allogenic cell therapy for New sprouts may also create aberrant connections that either 226

172 chronic, stable stroke and other neurodegenerative conditions. have no effect or even lessen function in the newly modulated 227

173 These cells transiently genetically modified to differentiate into circuit [17]. Thus, to really achieve functional repair after cell 228

174 cells with neural characteristics, have been evaluated in several transplant, we need to better understand how to get the cells to 229

175 rodent and primate studies [5,6]. These studies are ongoing or become functionally active. 230

176 demonstrate feasibility and safety of this approach [7].

1.2.2. Promoting ipsilesional activity 231

177 1.2. Potentials mechanisms of transplanted cell-mediated Ipsilesional sprouting, plasticity, and even long-distance 232 recovery regeneration are possible even in the adult central nervous 233

178 system after a lesion [9,10]. Stroke induces a unique micro- 234

179 1.2.1. General mechanisms environment for axonal sprouting in peri-infarct cortex, in which 235

180 Various mechanisms may be responsible for the transplanted growth-inhibitory molecules are reduced for one month after the 236

181 cell-mediated effect: integration into the host circuitry, reduction infarct [18]. Thus, this post-lesional plasticity is latent but 237

182 of death of host cells by inhibiting apoptosis in the penumbra, inhibited thereafter because of the non-permissive nature of the 238

183 remyelinisation, induction of host plasticity, increased neovas- CNS tissue environment. However, it seems to be re-inducible 239

184 cularization, attenuation of inflammation, recruitment of pharmacologically or by graft of stem cells [10,12,14]. Yilmaz 240

185 endogeneous progenitors [1]. For example, cellular transplants et al. described remarkable induction of genes for nerve guidance 241

186 could modulate the sprouting of spared axons and the survival (e.g., cytokine receptor-like factor 1, glypican 1, 242

187 regeneration of disrupted axons by providing neurotrophins or Dickkopf homolog2, osteopontin), as well as increased expres- 243

188 acting on axon growth cone inhibitors, such as Nogo-A. This sion of neurogenerative, nerve guidance, and angiogenic factors 244

189 phenomenon has been observed in spinal cord injury models [8]. (bone morphogenetic protein [bFGF], angiopoietins, neural 245

190 Among these mechanisms, an attempt to recreate a new neuronal growth factor), after transplantation with bone marrow stromal 246

191 circuit seems more formidable than to use repair techniques to cells [19].Short-distanceprojectionsofagraftintothehosttissues 247

192 increase the efficacy of surviving circuits. Axonal reconnection (substantia nigra, thalamus...) have been demonstrated in several 248

193 through the grafted cells/tissues (serving as a cellular-bridge) studies [20-22] although few were found. Long-distance 249

194 over large distances is more complex, although has been projections to the spinal cord like corticospinal fibers also 250

195 observed in some animals with brain lesions [9,10]. The function occurred, not in all but in some mice transplanted with a mouse 251

196 of the recruitment of endogenous cells has yet to be determined foetal cortex into the ablated M1 [9]. Closer to our experiment, a 252

197 but may signify a natural repair mechanism of the brain that could major study showed that human telencephalic neuroblasts 253

198 potentially be further enhanced by transplanted cells. implanted in a brain lesion of adults rats extend axons along 254

199 As for induction of host plasticity, in the cortex, exogenous major myelinated fiber tracts for distance up to 20 mm, putatively 255

200 cells could create, augment, or extend in time endogenous peri- the corticospinal and striato-nigral tracts [10]. Finally, intraven- 256

201 infarct and remote molecular signals, such as those for tricular infusions of epidermal growth factor and erythropoietin 257

202 neurogenesis, cell differentiation, axonal and dendritic sprouting, together promoted substantial regeneration of the damaged motor 258

203 probably strengthening of existing synapses, activation of silent cortex, mobilized endogenous adult neural stem cells and 259

204 synapses, network connectivity, and long-term potentiation, as improved recovery of motor skill. Removal of the regenerated 260

205 well as deliver of engineered genes and provide replacement cells cortical tissue reversed the growth factor-induced functional 261

206 in a network. A review details the molecular pathways activated recovery [23]. 262

207 by these therapies, which induce remodelling of the injured brain Regenerating some tissue in a lesion would rather stimulate 263

208 via angiogenesis, neurogenesis, and axonal and dendritic ipsilesional post-ischemic plasticity and initiate appropriate 264

209 plasticity [11]. Delivery of growth factors by grafted stem cells connections with the host like corticospinal tracts [10]. 265

210 could promote post-stroke plasticity including ipsilesional and Enhancing this ipsilesional plasticity by other means like 266

211 contralesional plasticity. A recent study showed that human rehabilitation, stimulation or drugs has been shown to correlate 267

212 neural progenitor cell treatment could significantly increase with better recovery in stroke patients [24,25]. 268

213 dendritic plasticity in both the ipsi- and contralesional cortex

214 through production of endothelial growth factor, thrombospon- 1.3. Clinical trials of cell transplantation for stroke 269

215 dins 1 and 2, and axon guidance factors (slit). This coincided with treatment

216 stem cell-induced functional recovery [12]. In another studies, 270

217 rats displayed newly generated interhemispheric corticostriatal Animal experiments after stroke have led to several 271 [13] or corticorubral tracts that could be involved in motor reasonably well-designed safety trials in patients. Indeed,


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these small studies were not powered to demonstrate efficacy, most of them were more focused on whether there were any safety concerns about this kind of treatment. The first safety trial concerned implantation of human well differentiated neuronal cells derived from a teratocarcinoma cell line (NT-2 cells; LBSneurons, Layton Bioscience, Inc) into the edge of chronic deep infarcts near the basal ganglia in a phase I (n = 12) and a phase II trials (n = 14 transplanted, 5, or 10 million cells, or control, n = 4) [26-28]. However, this trial was not controlled for clyclosporine-A administration or for placebo effect which needs a sham operation. Positron emission tomography (PET) scans at six months after implantation showed increased in metabolic activity positively correlated with motor improvement when present in the graft area, suggesting graft survival, but could also be related to an inflammatory response [26].

The second clinical trials on stroke patients used the intraparenchymal route to deliver neural stem cells derived from the primordial porcine striatum (50 or 80 million cells) transplanted into 5 patients (no control group) between 1.5 and 10 years after their basal ganglia strokes [29]. The study was halted after two patients had worsening motor deficits and seizures, whether it was cell or procedure related remained unclear [29].

Autologous mesenchymal stem cells have been administrated 1-2 months after a hemispheric stroke in a control clinical trial (n = 5 transplanted, n = 25 controls) and was found feasible and safe [30]. A second study showed the feasibility and safety of delivery of a relatively large dose of autologous mesenchymal human stem cells, cultured in autologous human serum, into 12 human subjects with stroke [7].

For all trials, any positive note of efficacy was imputed from secondary analyses of the small sample sizes.

Thus, although it could be argued that those trials used the wrong design, wrong surgical technique, wrong cell preparation, and wrong cell type, they are important papers because they push forward the frontiers of surgical treatment for stroke. Lessons learned from this investigation should inspire basic science studies and help refine future clinical studies [31].

Several ongoing clinical trials using bone marrow derived stem cell or neuronal cells will answer some of these questions (for review see [32]). The statement that we now need doubleblind studies with larger cohorts to reach a definitive conclusion regarding the efficacy of this therapy is premature. Cell transplantation therapy for stroke holds great promise. However, it is tempting to overly interpret the robustness of the results of cellular strategies in animal models. Rodents have been extensively tested, and studies in primates could be an intermediate step.

Future trials must be designed in accordance with the Consolidated Standards of Reporting Trials (CONSORT) guidelines. Also, guidelines for stem cells clinical trials were developed by a group of basic scientists and research clinicians actively involved with CNS transplantation and published as the recommendation of the American Association of Neural Transplantation and Repair [2].

1.4. Systematic identification of transplant parameters for stroke

The optimal conditions for cell transplant therapy after stroke are not yet clearly defined [1,2,17]. Here we report some critical issues that need to be considered for translating cell therapy for stroke to the clinic: entry criteria (including the patient age, etiology, anatomic location and size of the infarct, and medical history), rehabilitation practices (explicit training paradigms for the reacquisition of testable skills), behavioral targets (neurological scales, functional scales), timing of transplantation, best cell type, number concentration and differentiation stage of cells, route (intracerebral, intracere-broventricular, intravenous) and site of cell delivery, and need for immune-suppression treatment. Each cellular strategy must be proven in preclinical models and phase 1 and 2 clinical trials to be safe from inducing hemorrhage, infection from a virus or other organism, inflammation, tumorigenesis, epilepsy, and aberrant plasticity that increases disability. Detailed guidelines for cell-mediated trials in stroke have been proposed [2,17].

1.5. In vivo monitoring of repair progress

Multimodality imaging will be crucial in the posttransplantation patient assessment. PET scanning evaluates the metabolic activity (glucose or oxygen radionucleotide during rest or with an activation paradigm), or a neuro-transmitter function (with a marker for a specific ligand, such as [18F]fluorodopa and [11C]raclopride for dopamine activity) at the site of cell transplantation but these techniques are still unable to identify precise anatomic location or cell migration.

Tagging the cells with nanoparticles (superparamagnetic iron oxide particles [SPIO], bimodal contrast agent gadolinium-rhodamine, or (19)F-MRI contrast agents) allows to monitor them with MRI [33-36]. SPIO labeling allows in vivo cell tracking over several weeks and does not obviously affect migration, integration, and differentiation of human neural stem cells. In vivo magnetic resonance trapping of labeled transplanted stem cells might be helpful in detecting whether sufficient number of cells enter and remain viable in the injured brain area. However, this technique will not differentiate whether labeled cells have been trapped by macrophages or not. Bible et al. demonstrated that a 19F-MRI contrast agent can adequately monitor the distribution of transplanted cells up to four weeks, whilst allowing an evaluation of the lesion cavity and the formation of new tissue on 1H-MRI scans [33]. However, twenty percent of cells labeled with the 19F agent were of host origin, potentially reflecting the re-uptake of label from dead transplanted cells. Perfusion imaging studies can monitor potential angiogenesis and neovascularization, functional MRI of various tasks (sensorimotor, auditory, linguistic, visual) can monitor cerebral plasticity and diffusion-tensor imaging fractional anisotropy can evaluate fiber tract integrity. All will help to answer questions on repair mechanisms of the transplanted cells.

Ramos-Cabrer et al., using cells labeled with iron for MRI detection, found no evidence of surviving grafted stem cells six


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months after a murine neural cell line transplantation in the perilesional area of rat brains [37]. However, compared with control animals, functional recovery was confirmed even during the chronic phase of cerebral infarction (progressive improvement that included re-appearance of electrical activity on the affected somatosensory cortex, and regaining of BOLD signal) [37]. These cells had been labeled with iron for MRI detection. Iron labeling for MRI detection may have rendered cells more fragile. Since behavioral improvement was observed in this study, the authors suspect that stem cells must have mediated functional recovery not by a cell replacement but via a paracrine activity after implantation. Another explanation would be that the survival rate for transplanted cells remains small [38], too small to be detected, and in fact only few transplanted stem cells differentiate into neurons with immunohistological and electrophysiological properties [39].

Modo et al. observed a certain toxicity of GRID-labelled cells (gadolinium-rhodamine dextran) [36]. This contrast agent was bimodal, and thus visible with MRI and fluorescence optical imaging. However, GRID-labelled transplants resulted in a slight increase in lesion size compared to MCAo-only animals, whereas the same, PKH26-labelled cells significantly decreased lesion size by 35% showing the drawback effects of GRID labeling.

To bring such innovative cell-based therapies to the clinic many questions have to be solved. Do cells survive in a sufficient number, act in some way on neural tissue, or lessen specified and carefully assessed impairments and disabilities? The robustness of their effects on neuromodulation, reorganization, regeneration, and behavioral recovery is a work in progress [17]. Collaboration between neuroscientists, neurosurgeons, and neurologists is required to translate cell transplantation therapy to the clinic in a timely but safe and effective manner so that the remarkable potential already shown for cell transplantation to aid recovery from experimental stroke can become a reality for the patient [29,31,40].

Disclosure of interest

The authors have not supplied their declaration of conflict of interest.

2. Version française

Les modalites therapeutiques alternatives sont limitees pour les patients présentant des deficits neurologiques severes et persistants. La therapie cellulaire pourrait etre une opportunite lorsque les criteres de securite de cette approche seront atteints. En effet, plusieurs problematiques fondamentales se doivent d'etre résolues avant qu'une utilite clinique puisse etre clairement formule. Tout particulierement, les mecanismes de recuperation par les transplants cellulaires doivent etre elucides et les conditions de la transplantation clairement definies. Cependant, dans le champ de l'AVC les ameliorations comportementales ne semblent pas completes chez les modeles animaux. Une revue approfondie sur la transplantation cellulaire, dans le cadre de l'AVC, chez les modeles utilisant des cellules

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souches humaines et non humaines [1] ainsi que des recommandations précliniques et cliniques [2] ont ete publiées.

Les utilisations potentielles de cellules souches dans l'AVC pour restaurer partiellement les reseaux neuronaux, les astrocytes qui jouent un role de soutien et la myelinisation par les oligodendrocytes, sont multiples mais encore largement theoriques [3]. La recherche sur la neurogeróse dans le systeme nerveux central chez le mammifere adulte fut longue et controversee mais l'existence de cellules souches persistantes ayant la capacite de s'auto-régenerer et pouvant se difrérentier en trois lignees neuronales fondamentales, est maintenant clairement etablie y compris chez l'homme [4]. Cette revue soulignera les mecanismes potentiels de restauration fonctionnelle chez l'animal et proposera un etat des lieux des etudes cliniques chez l'homme.

2.1. Sources de cellules souches neurales à usage thérapeutique

2.1.1. Mobilisation des cellules souches endogenes

Chez l'homme il existe deux aires neurogenes : la zone sous-ventriculaire (ZSV) et le gyrus dentele de l'hippocampe. Une source potentielle de cellules souches neurales, pour la reparation neuronale, est la mobilisation des cellules souches endogenes, qui peut etre ameliorée de différentes manieres (medicaments, exercice...). L'infarctus cerebral (ou AVC ischemique) resulte d'une mobilisation de cellules ZSV associee a une migration des cellules vers le lieu de la lesion. Dans le gyrus dentele, la neurogeróse est augmentée par une variete de stimuli, y compris les convulsions, l'exercice et meme les antidepresseurs. Afin de favoriser la reparation neuronale, apres proliferation, les cellules souches endogenes doivent migrer vers les lieux appropries et se différentier afin de devenir des cellules matures fonctionnelles.

2.1.2. Transplantation de cellules souches neurales embryonnaires humaines

Plusieurs etudes se sont focalisees sur la transplantation de cellules souches neurales et leurs progeniteurs dans des modeles experimentaux d'AVC dans des travaux experimentaux limites. Cependant, aucune de ces etudes n'a compare la source de ces cellules souches ou la methode utilisee pour isoler les cellules et les mettre en culture. Pour la transplantation chez l'homme, des cellules souches neurales derives de cellules souches embryonnaires pourraient etre utilisees mais leur manipulation in vitro se revele extrêmement problematique. Avec le tissu fœtal les inconvenients sont l'hetérogeneité cellulaire, l'incapacité d'obtenir un nombre suffisant de donneurs, et la difficulté de la preparation de l'echantillon. De plus, il est maintenant reconnu que les cellules souches embryonnaires peuvent former des tératomes lors de la transplantation, constituant un probtéme majeur de securite pour l'utilisation des cellules souches embryonnaires.

2.1.3. Transplantation de cellules souches adultes

Les cellules souches neurales adultes ou cellules progenitrices représentent une autre source. Les memes inconvenients


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489 545

490 de préparation cellulaire s'appliquent également dans ce cas. Les cellules neuronales peuvent également être obtenues à 546

491 Pour la recherche experimentale, ces cellules peuvent etre partir des cellules pluripotentes induites (cellules IPS). Les 547

492 obtenues a partir de tissus préleves en peroperatoire chez les cellules humaines pluripotentes induites (hiPS) peuvent etre 548

493 patients epileptiques ou durant une procedure neurochirurgi- extraites des fibroblastes cutanes du patient, suggerant que les 549

494 cale pour traitement de l'hydrocephalie. La chirurgie sur le cellules iPS ne possedent pas les problemes d'immunoréacti- 550

495 patient hemiplegique pourrait etre envisagee, lorsque les vite associes aux autres sources cellulaires. De plus, certains 551

496 conditions de culture cellulaire permettent une proliferation auteurs rapportent que les cellules hiPS peuvent se differentier 552

497 suffisante pour une greffe autogene. Les differentes prepara- en plusieurs types de neurones, y compris glutamatergiques, 553

498 tions entraînent des proportions variées de neurones et cellules moteurs et dopaminergiques, et survivre après transplantation 554

499 gliales après transplantation, cependant des oligodendrocytes dans le cerveau du rongeur. Cependant, avant de developper une 555

500 ont rarement ete observes. Ces cellules représentent un therapie cellulaire iPS dans un contexte clinique, leur 556

501 potentiel immense, le challenge cependant reside dans la tumorigenicite demeure une problematique cruciale qui se 557

502 comprehension des mecanismes de croissance et de differen- doit d'etre résolue. La strategie visant a developper des cellules 558

503 tiation de ces cellules neurales progenitrices. iPS sans integrer de gene exogene est aujourd'hui un challenge 559

pour le developpement de traitements lies a la therapie 560

504 2.1.4. Greffe de lignées cellulaires neurales humaines et cellulaire. 561

505 cellules souches pluripotentes induites (IPs)

506 Des cellules humaines neuronales post-mitotiques pures 2.1.5. Transplantation de cellules souches de moelle 562

507 peuvent etre generées a partir de la lignee cellulaire NT2 derivee osseuse 563

508 d'un teratocarcinome après exposition a l'acide rétinoïque. Ces Les cellules souches de moelle osseuse (CSMO) sont une 564

509 cellules hNT differences également connues sous les noms de autre de ces sources. Une fois exposees a des facteurs de 565

510 cellules NT2N ou neurones LBS, Layton Bioscience, Inc.) croissances selectifs les CSMO humaines se differentient en 566

511 conservent leur phenotype neuronal in vitro et in vivo au-dela cellules exprimant des marqueurs de cellules progenitrices 567

512 d'un an sans retourner a l'etat neoplasique, lors de tests chez neurales. Elles secrètent alors plusieurs facteurs entraînants des 568

513 l'animal. Cependant, la survie des cellules greffees n'est pas effets neurotrophiques, une vascularisation, une stimulation de 569

514 toujours corrélee a une recuperation fonctionnelle. Ce résultat la neurogenese endogene et la modulation de la réponse 570

515 montre le besoin de determiner les parametres requis pour la immunitaire de l'hote. Des etudes cliniques sont actuellement 571

516 recuperation fonctionnelle via therapie cellulaire. en cours en France, Espagne, Brésil et Royaume Uni sur les 572

517 Plus récemment, le groupe ReNeuron a developpe une cellules souches de moelle osseuse autologues dans l'AVC de 573

518 lignee cellulaire humaine de cellules souches neurales l'artère cerebrale moyenne, pour prevenir la rejection 574

519 (CTX0E03) en utilisant la technologie (c-mycERTAM) immunologique (voir De plus, 575

520 permettant le controle de la croissance cellulaire. Le fait SanBio Inc. developpe des cellules neuro-progenitrices de 576

521 d'enlever in vitro le facteur 4-OHT et le facteur de croissance in moelle osseuse dans le cadre de therapie cellulaire allogene 577

522 vitro, avant l'implantation in vivo, permet d'inhiber le gene pour le patient hemiplegique chronique et stable (AVC) et 578

523 c-myc et donc d'inhiber la croissance cellulaire et faciliter la d'autres affections neurodegeneratives. Ces cellules temporaire- 579

524 differentiation en trois lignees neuronales. La lignee cellulaire a ment modifiees genetiquement afin de se differentier en 580

525 ete testée sur des modeles murins post-AVC et chez des cellules ayant des caractéristiques neurales, ont ete evaluees 581

526 primates sains. Un essai clinique de phase I e ete mene. A ce dans plusieurs etudes sur les primates et les rongeurs [5,6]. 582

527 jour aucun effet indesirable, au niveau cellulaire ou au niveau Ces etudes sont en cours ou montrent la faisabilité et la securité 583

528 immunitaire, n'a ete rapporte pour aucun des patients traites. de cette approche [7]. 584

529 Les donnees intermediaires des llpatients traites dans l'etude

530 PISCES etaient presentees a l'European Stroke Conference 2.2. Mecanismes potentiels de la recuperation après 585

531 2014par l'equipe investigatrice, ces donnees soulignaient une transplantation cellulaire

532 reduction durable des deficits neurologiques et de la spasticite 586

533 chez ces patients, compares a leurs performances stables 2.2.1. Mécanismes generaux 587

534 prétraitement ( Plusieurs mecanismes sont responsables de l'effet lie a la 588

535 interim-data-from-clinical-trial-of-reneuron-s-stem-cell-the- transplantation cellulaire: integration dans le circuit hote, 589

536 rapy-for-stroke-to-be-presented-at-leading-stroke-conference- reduction de la mortalité des cellules hotes par inhibition de 590

537 longer-term-data-continue-to-show-good-safety-profile-and- l'apoptose dans la penombre ischemique, remyelinisation, 591

538 evidence-of-sustained-reductions-in-neurologica). Ces résul- induction d'une plasticité chez l'hote, augmentation de la 592

539 tats montrent que pour ces 11patients inclus dans l'etude, aucun neovascularization, reduction de l'inflammation et recrutement 593

540 effet indesirable n'etait rapporte, de plus une amelioration de cellules progenitrices endogenes [1]. Par exemple, les 594

541 modeste des symptômes post-AVC est notée. Cependant, pour greffes cellulaires pourraient moduler le bourgeonnement des 595

542 cette recherche naissante, l'efficacité et la securité de cette axones non atteints et la regeneration des axones perturbes en 596

543 nouvelle lignee cellulaire doivent etre validees sur une large fournissant des neurotrophines ou en agissant sur les facteurs 597

544 cohorte de patients et faire l'objet d'une etude controle avec inhibiteurs des cones de croissance, comme le Nogo-A. Ce 598 groupe témoin placebo. phenomene a ete observe dans des modeles de lesion


I. Loubinoux et al./Annals of Physical and Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx 7

medullaire [8]. Parmi ces mecanismes, il est plus ambitieux de recréer un nouveau circuit neuronal plutôt que d'utiliser des techniques de reparation afin d'augmenter l'efficacité des circuits survivants. La reconnection neuronale longues distances par les tissus/cellules greffes (servant de pont cellulaire) est plus complexe, bien que cela fut mis en evidence chez certains animaux cerébroleses [9,10]. Le role du recrutement des cellules endogenes doit encore etre precise, mais il pourrait sous-tendre un mecanisme naturel de reparation du cerveau, permettant eventuellement une amelioration grace aux greffes cellulaires.

Quant a l'induction de la plasticité chez le receveur, dans le cortex, les cellules exogenes pourraient créer, augmenter ou prolonger les signaux endogenes peritésionels et les signaux moleculaires a distance, tels que ceux promouvant la neurogenese, la differentiation cellulaire, le bourgeonnement axonal et dendritique, et probablement renforcer les synapses existantes, activer les synapses silencieuses, la connectivité du reseau et la potentiation au long terme, mais aussi delivrés des genes modifies et fournir des cellules de remplacement au sein d'un reseau. Une revue de la littérature detaille les voies moleculaires activees par ces nouvelles therapies, qui induisent un remodelage du cerveau tése via l'angiogenese, la neurogenese et la plasticité axonale et dendritique [11].

La liberation des facteurs de croissances par les cellules souches greffées pourraient promouvoir une plasticité post-AVC y compris une plasticité ipsi- et contratésionnelle. Une etude récente montre que la therapie cellulaire a base de cellules progenitrices neurales humaines augmente la plasticité dendritique au sein du cortex ipsi- et contratésionnel a travers la production de facteur de croissance endothelial, de thrombos-pondines 1 et 2 et des facteurs de guidage axonal (voie slit). Ceci coïncide avec la recuperation fonctionnelle induite par les cellules souches [12]. Dans d'autres etudes chez le rat, les auteurs rapportent la generation de nouveaux faisceaux interhemispheriques corticostrial [13] ou corticorubral pouvant etre implique dans la recuperation motrice [14,15], ou de fibres corticospinales dans la moelle epiniere (1 a 2 %) positivement corrétée avec la recuperation fonctionnelle de la patte avant [16]. Les cellules therapeutiques sont capables d'augmenter les mecanismes fondamentaux d'apprentissage ou de reapprentissage post-AVC au sein des circuits qu'elle reconstruisent ou modulent [17].

Cependant, ces nouvelles connections peuvent ne pas se reveler cliniquement pertinentes pour l'activité sensorimotrice en l'absence de reeducation fonctionnelle. Des nouveaux bourgeons peuvent egalement créer des connections aberrantes qui se réveleront soit sans effet ou pouvant meme diminuer la fonction dans le circuit nouvellement formé [17]. Ainsi, afin de réellement obtenir une recuperation fonctionnelle après greffe cellulaire, il nous faut ameliorer nos connaissances sur les mecanismes qui rendent les cellules fonctionnellement actives.

2.2.2. Favoriser l'activité ipsilésionnelle

Le bourgeonnement et la plasticité ipsilesionnelle, ainsi que la regeneration longue distance sont possibles meme au sein du système nerveux central de l'adulte après lesion [9,10]. L'AVC

declenche un microenvironnement unique favorisant le bourgeonnement axonal dans le cortex perilesionel, où les molecules inhibitrices de croissances sont réduites pendant le mois qui suit l'AVC [18]. Ainsi, cette plasticité post-tésionnelle est latente mais inhibee à cause de la nature non-permissive de l'environnement tissulaire du SNC. Cependant, il semble possible d'inverser cette non-permissivité a l'aide de traitements pharmacologiques ou par greffe de cellules souches [10,12,14]. Dans leur etude, Yilmaz et al. decrivent une induction remarquable de genes de survie du guidage neuronal (récepteurs de cytokine-like de classe 1 CRLF1, glypticien 1, protéine Dickkopf homologue2 [DKK2], ostéopontine), ainsi qu'une augmentation de l'expression des facteurs neurogene-ratifs, angiogeniques et de guidage neuronal (bFGF, protéine morphogenetique osseuse, angiopotétines, facteur de croissance neurale)après une greffe de cellules stromales de moelle osseuse [19]. Plusieurs etudes ont demontrè des projections a courte distance de la greffe sur les tissus hotes (substantia nigra, thalamus...) [20-22] bien que peu de fibres soient réellement mises en evidence. Il existe egalement des projections longue distance jusqu'a la moelle epiniere comme pour les fibres corticospinales, pas chez toutes mais chez certaines souris greffées avec du cortex fœtal murin dans le territoire M1 excise [9]. Plus proche de nos travaux, une etude majeure montre que les neuroblastes humains télencephaliques implantes dans le territoire d'une lesion cerebrale de rats adultes, projettent des axones le long des principaux faisceaux de fibres myelinisees sur une distance allant jusqu'a 20 mm, probablement le long du faisceau corticospinal et du faisceau striato-nigral [10]. Enfin, les perfusions intraventriculaires de facteur de croissance epidermique associees a l'erythropoietine permettent une regeneration substantielle du cortex moteur lese, mobilisant les cellules souches neurales adultes endogenes et ameliorant ainsi la recuperation des fonctions motrices. L'ablation du tissu cortical régeneré inverserait le processus de recuperation induite par le facteur de croissance [23].

Le fait de régenerer certains tissus au sein d'une lesion semble stimuler la plasticité ipsilesionnelle post-ischemique et initier les connections requises avec l'hote comme pour les faisceaux corticospinaux [10]. De plus, il existe une correlation entre l'augmentation de cette plasticité ipsilesionnelle via d'autres methodes, telles que la reeducation fonctionnelle, la stimulation ou les medicaments, et une meilleure recuperation chez le patient hemiptégique [24,25].

2.3. Etude cliniques de transplantation cellulaire dans le traitement des séquelles de l'AVC

Fort des essais sur les modeles animaux hemiptégiques, plusieurs etudes raisonnablement bien concues ont evalue la securite de cette therapie cellulaire chez les patients. En effet, l'objectif de ces petites etudes n'etait pas de prouver l'efficacité de cette therapie, mais plutôt dtévaluer les risques potentiels lies a ce type de traitement. La premiere etude de ce type concernait l'implantation de cellules neuronales humaines bien différendées issues d'une lignee cellulaire de tératocarcinome (cellules NT-2, neurones LBS, Layton Bioscience, Inc).


8 I. Loubinoux et al./Annals of Physical and Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx

710 767

711 L'implantation se faisait à la limite de la zone de l'infarctus 2.4. Identification systématique des parametres de greffe 768

712 chronique près des noyaux gris centraux, l'etude comprenait un post-AVC

713 essai de phase I (n = 12) et un autre de phase II (n = 14 greffes, 769

714 5 ou 10 millions de cellules, ou temoins, n = 4) [26-28]. Les conditions optimales pour la therapie cellulaire post- 770

715 Cependant, l'essai n'etait pas contrôle en double aveugle pour AVC ne sont pas clairement definies [1,2,17]. Nous rapportons 771

716 administration de cyclosporine-A ou effet placebo. Six mois dans ce chapitre quelques problematiques essentielles a prendre 772

717 après l'implantation, les images du PET Scan montraient une en compte pour extrapoler la therapie cellulaire post-AVC a 773

718 augmentation de l'activite metabolique, significativement l'application clinique : criteres d'inclusion (y compris l'age du 774

719 correlee a l'amelioration de la fonction motrice, quand celle- patient, etiologie, localisation anatomique et taille de l'infarc- 775

720 ci etait présente sur le site de la greffe, suggerant la survie de la tus ischemique ainsi que les antecedents medicaux), methodes 776

721 greffe cellulaire, cependant ce phenomene pourrait egalement de reeducation fonctionnelle (type de programme de réeduca- 777

722 etre lie a une réponse inflammatoire [26]. tion pour la reacquisition des fonctions testables), cibles 778

723 La deuxieme etude clinique sur les patients hemiplegiques comportementales (echelles neurologiques et fonctionnelles), 779

724 utilisait la voie intraparenchymale pour injecter directement les moment choisi de la greffe, type cellulaire ideal, nombre de 780

725 cellules souches issues du striatum primordial du porc (50 a 80 cellules et etape du processus de differentiation, voie 781

726 millions de cellules) greffees chez 5 patients (absence de groupe d'administration (intracerébrale, intracerébroventriculaire, 782

727 temoin) entre 1,5 et 10 ans après un AVC des noyaux gris intraveineuse), localisation anatomique de la transplantation 783

728 centraux [29]. Cette etude a ete stoppee après observation d'une cellulaire, et besoin de traitement immunosuppresseur. Chaque 784

729 degradation des deficits moteurs et l'apparition de convulsions strategie cellulaire doit etre validee sur des modeles pre- 785

730 chez 2 patients, il reste a determiner si ces effets secondaires cliniques et des essais cliniques de phase I et II2 afin de 786

731 etaient lies aux cellules souches ou a la procedure elle-meme [29]. s'assurer de leur absence d'effets indesirables tels que: 787

732 Un essai clinique contrôle (n = 5 greffes, n = 25 contrôles), hemorragie, infection par un virus ou autre organisme, 788

733 sur l'administration de cellules souches mesenchymateuses tumorigenese, epilepsie, et plasticite aberrante augmentant le 789

734 autologues 1 a 2 mois après AVC hemispherique, concluait a la deficit fonctionnel. Des recommandations detaillees pour les 790

735 faisabilite et l'innocuite de cette procedure [30]. De plus, une essais cliniques de therapie cellulaire dans les sequelles de 791

736 deuxieme etude montrait sur 12 sujets hemiplegiques la l'AVC ont ete publiees [2,17]. 792

737 faisabilite et l'innocuite de l'administration a doses relative-

738 ment elevees de cellules souches mesenchymateuses humaines 2.5. Suivi in vivo de la recuperation

739 autologues, mises en culture dans un serum autologue [7]. 793

740 Dans toutes ces etudes les indications positives d'efficacite L'imagerie multimodale sera cruciale dans le suivi du 794

741 etaient derivees d'analyses secondaires sur des echantillons de patient après la transplantation. Le PET scan evalue l'activite 795

742 petite taille. Bien qu'on puisse mettre en avant les defauts de metabolique (radionuclides du glucose ou de l'oxygene au 796

743 ces etudes : methode, technique chirurgicale, preparation des repos ou lors d'un protocole d'activation) ou grace a une 797

744 cellules et type de cellule, ces publications sont importantes car fonction de neurotransmetteur (avec un marquage radioactif du 798

745 elles repoussent les frontieres du traitement chirurgical pour ligand a etudier, comme le[18F]fluorodopa et le [11C]raclo- 799

746 l'AVC. Les lecons tirées de ces travaux devraient inspirer les pride pour l'activite dopaminergique), sur le site de la 800

747 etudes fondamentales et aider a affiner les futurs essais transplantation cellulaire, cependant ces techniques ne per- 801

748 cliniques [31]. mettent toujours pas d'identifier la localisation anatomique 802

749 Plusieurs etudes en cours utilisent des cellules souches de exacte de la migration cellulaire. 803

750 moelle osseuse ou des cellules neuronales qui permettront de Le marquage des cellules par des nanoparticules (particules 804

751 repondre a certaines de ces questions (pour une revue de la d'oxyde de fer superparamagnetique [SPIO], les produits de 805

752 litterature voir [32]). Il est premature d'affirmer que nous avons contraste tels que les agents marques au 19F ou le gadolinium- 806

753 besoin d'etudes contrôles en double aveugle sur larges rhodamine, bimodal en histologie et IRM) permet un 807

754 cohortes pour conclure a l'efficacite ce traitement. La therapie monitoring en imagerie IRM [33-36]. Le marquage SPIO 808

755 cellulaire est très prometteuse dans l'AVC. Cependant, il peut permet un suivi in vivo des cellules sur une periode de plusieurs 809

756 etre tentant de sur-interpréter la solidite des résultats de ces semaines sans affecter la migration, l'integration et la 810

757 strategies cellulaires sur des modeles animaux. Plusieurs etudes differentiation des cellules souches neurales humaines. Post- 811

758 sur les rongeurs ont ete publiees, une etape intermediaire serait transplantation, l'IRM in vivo des cellules souches marquees 812

759 de mener des etudes sur les primates. pourrait etre utile pour determiner si suffisamment de cellules 813

760 La methodologie des etudes futures doit adherer aux penetrent dans la zone cerébrale lesee et demeurent viables. 814

761 recommandations Consolidated Standards of Reporting Trials Cependant, cette technique ne permettra pas d'identifier si les 815

762 (CONSORT). Les procedures des etudes cliniques sur les cellules marquees ont ete piegees par les macrophages. Bible 816

763 cellules souches sont basees sur les travaux d'un groupe de et al. montraient que le produit de contraste 19F-MRI pouvait 817

764 chercheurs en science fondamentale et de cliniciens activement suivre de maniere satisfaisante la distribution des cellules 818

765 impliques dans les greffes cellulaires du SNC. Ces directives jusqu'a 4 semaines post-transplantation, tout en permettant 819

766 ont ete publiees en tant que recommandations pour l'American dévaluer la cavite de la lesion et la formation de nouveaux 820 Association of Neural Transplantation and Repair [2]. tissus grace a l'IRM-1H [33]. Cependant, 20 % des cellules


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marquees au 19F etaient des cellules provenant de l'hote, refletant potentiellement la recapture du marquage des cellules transplantees mortes. Les etudes d'imagerie de perfusion permettent le monitoring d'une eventuelle angiogenese et de la neovascularization, l'IRM fonctionnelle de differentes taches (sensorimotrices, auditives, de langage et visuelles) evalue la plasticite cerébrale et la mesure de la fraction d'anisotropie (FA) via les donnees de l'imagerie du tenseur de diffusion (ITD) permettant d'analyser l'integrite du faisceau de fibres. Tout ceci permettra de repondre aux interrogations sur les mecanismes de reparation des cellules transplantees.

Ramos-Cabrer et al., a l'aide de cellules marquees par des nanoparticules d'oxyde de fer, n'ont pas retrouve de preuve de survie des cellules souches greffees six mois après transplantation d'une lignees cellulaire murine dans la zone perilesionnelle de cerveaux de rats [30]. Cependant, compares aux animaux contrôles, la recuperation fonctionnelle etait confirmee meme durant la phase chronique post-lesionnelle (l'amelioration progressive avec la reapparition de l'activite electrique dans le cortex somatosensoriel et recuperation du signal fonctionnel BOLD) [37]. Ces cellules etaient marquees par des nanoparticules d'oxyde de fer ce qui a pu les rendre plus fragiles. Cette etude notait egalement l' amelioration du comportement, et donc les auteurs suspectent que les cellules souches aient pu faciliter la recuperation fonctionnelle non pas par le remplacement de cellules mais via une activite paracrine post-greffe. Une autre explication pourrait etre que le taux de survie des cellules transplantees reste relativement faible [38], trop faible pour etre detecte, et qu'en fait seules quelques rares cellules souches transplantees se differentient en neurones avec des proprietés immunohistologiques et electrophysiologiques [39].

Modo et al. ont observe une certaine toxicite des cellules marquees au produit de contraste GRID (hadolinium-rhoda-mine dextran) [36]. Ce produit etait bimodal et donc visible a l'IRM et a l'imagerie optique de fluorescence. Cependant, les cellules GRID transplantees entraînaient une legere augmentation de la taille de la lesion compare aux animaux ayant seulement des cellules MCAo, alors que pour les memes cellules marquees PKH26 on notait une reduction significative de 35 % de la taille de la lesion, ce qui souligne les effets deletères du marquage GRID.

Afin de transposer ces therapies cellulaires innovantes a la pratique clinique, plusieurs problematiques doivent etre résolues. Est-ce que les cellules survivent en nombre suffisant ? Les cellules agissent-elles de quelque maniere que ce soit sur le tissu nerveux ? Diminuent-elles certains handicaps ou deficits specifiques ?

La solidite de leurs effets sur la neuromodulation, la reorganisation, la regeneration et la recuperation des deficits est en cours dévaluation [17]. Un partenariat entre neuroscientifiques, neurochirurgiens, et neurologues reste essentiel pour l'extrapolation de cette therapie cellulaire a l'activite clinique dans un futur proche mais de maniere securisee et efficace, afin que le potentiel remarquable de la transplantation cellulaire deja souligne dans les travaux experimentaux pour faciliter la recuperation fonctionnelle, puisse devenir une realite pour les patients [29,31,40].

Declaration d'interets

Les auteurs n'ont pas transmis de declaration de conflits d'intérêts.


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