Intravenous (IV) stem cell delivery for regenerative tissue therapy has been increasingly used in both experimental and clinical trials. However, recent data suggest that the majority of administered stem cells are initially trapped in the lungs. We sought to investigate variables that may affect this pulmonary first-pass effect. In anesthetized Sprague-Dawley rats, silicone tubing catheters were placed in the left internal jugular vein and common carotid artery. We investigated four different cell types: mesenchymal stromal cells (MSC), multipotent adult progenitor cells (MAPCs), bone marrow–derived mononuclear cells (BMMC), and neural stem cells (NSC). Cells were co-labeled with Qtracker® 655 (for flow cytometry) and Qtracker® 800 (for infrared imaging) and infused intravenously with continual arterial sample collection. Samples were analyzed via flow cytometry to detect labeled cells reaching the arterial circulation. Following sampling and exsanguination, heart, lungs, spleen, kidney, and liver were harvested and placed on an infrared imaging system to identify the presence of labeled cells. The majority of MSCs were trapped inside the lungs following intravenous infusion. NSC and MAPC pulmonary passage was 2-fold and BMMC passage was 30-fold increased as compared to MSCs. Inhibition of MSC CD49d significantly increased MSC pulmonary passage. Infusion via two boluses increased pulmonary MSC passage as compared to single bolus administration. Infrared imaging revealed stem cells evenly distributed over all lung fields. Larger stem and progenitor cells are initially trapped inside the lungs following intravenous administration with a therapeutically questionable number of cells reaching the arterial system acutely.

Abstract Objective: Cellular therapy is an investigational approach for stroke. Mononuclear cells (MNCs) from the bone marrow reduce neurological deficits in animal stroke models. We determined if autologous MNC infusion was feasible and safe in patients with ischemic stroke. Methods: We conducted an open‐label prospective study of a bone marrow harvest followed by readministration of autologous MNCs in 10 patients, 18 to 80 years old, with acute middle cerebral artery ischemic stroke. Bone marrow was aspirated from the iliac crest, and MNCs were separated at a Good Manufacturing Practices facility and administered intravenously up to a maximum of 10 million cells/kg. The harvest and infusion had to occur between 24 and 72 hours after stroke. Patients were monitored for 6 months. Results: Bone marrow aspiration was successfully completed in all patients. Eight received 10 million cells/kg, and 2 received ≥7 million cells/kg. There were no significant adverse events related to harvest or infusion. Two patients had infarct expansion between enrollment and harvest and underwent hemicraniectomy after cell infusion. One patient died at 40 days due to a pulmonary embolism related to the stroke. There were no study‐related severe adverse events. Median National Institutes of Health Stroke Scale score was 13 before harvest, 8 at 7 days, and 3 at 6 months. At 6 months, all surviving patients had shifted down by at least 1 point on the modified Rankin Scale compared to day 7. Seven of 10 patients achieved a Barthel Index ≥90. Interpretation: This study suggests that a bone marrow harvest and reinfusion of autologous MNCs were safe and feasible in acute stroke patients. ANN NEUROL 2011;

For several decades, multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) have been extensively studied for their therapeutic potential across a wide range of diseases. In the preclinical setting, MSCs demonstrate consistent ability to promote tissue healing, down-regulate excessive inflammation and improve outcomes in animal models. Several proposed mechanisms of action have been posited and demonstrated across an array of in vitro models. However, translation into clinical practice has proven considerably more difficult. A number of prominent well-funded late-phase clinical trial have failed, thus calling out for new efforts to optimize product delivery in the clinical setting. In this review, we discuss novel topics critical to the successful translation of MSCs from pre-clinical to clinical applications. In particular, we focus on the major routes of cell delivery, aspects related to hemocompatibility, and potential safety concerns associated with MSC therapy in the different settings.

Extracellular vesicles (EVs) secreted by mesenchymal stromal cells (MSCs) have been proposed to be a key mechanistic link in the therapeutic efficacy of cells in response to cellular injuries through paracrine effects. We hypothesize that inflammatory stimulation of MSCs results in the release of EVs that have greater anti-inflammatory effects. The present study evaluates the immunomodulatory abilities of EVs derived from inflammation-stimulated and naive MSCs (MSCEv+ and MSCEv, respectively) isolated using a current Good Manufacturing Practice-compliant tangential flow filtration system. Detailed characterization of both EVs revealed differences in protein composition, cytokine profiles, and RNA content, despite similarities in size and expression of common surface markers. MSCEv+ further attenuated release of pro-inflammatory cytokines in vitro when compared to MSCEv, with a distinctly different pattern of EV-uptake by activated primary leukocyte subpopulations. The efficacy of EVs was partially attributed to COX2/PGE2 expression. The present study demonstrates that inflammatory stimulation of MSCs renders release of EVs that have enhanced anti-inflammatory properties partially due to COX2/PGE2 pathway alteration. Stem Cells 2018;36:79-90.

Resection and reconstruction of the esophagus remains fraught with morbidity and mortality. Recently, data from a porcine reconstruction model revealed that segmental esophageal reconstruction using an autologous mesenchymal stromal cell-seeded polyurethane graft (Cellspan esophageal implant [CEI]) can facilitate esophageal regrowth and regeneration. To this end, a patient requiring a full circumferential esophageal segmental reconstruction after a complex multiorgan tumor resection was approved for an investigational treatment under the Food and Drug Administration Expanded Access Use (Investigational New Drug 17402).Autologous adipose-derived mesenchymal stromal cells (Ad-MSCs) were isolated from the Emergency Investigational New Drug patient approximately 4 weeks before surgery from an adipose tissue biopsy specimen. The Ad-MSCs were grown and expanded under current Good Manufacturing Practice manufacturing conditions. The cells were then seeded onto a polyurethane fiber mesh scaffold (Cellspan scaffold) and cultured in a custom bioreactor to manufacture the final CEI graft. The cell-seeded scaffold was then shipped to the surgical site for surgical implantation. After removal of a tumor mass and a full circumferential 4 cm segment of the esophagus that was invaded by the tumor, the CEI was implanted by suturing the tubular CEI graft to both ends of the remaining native esophagus using end-to-end anastomosis.In this case report, we found that a clinical-grade, tissue-engineered esophageal graft can be used for segmental esophageal reconstruction in a human patient. This report reveals that the graft supports regeneration of the esophageal conduit. Histologic analysis of the tissue postmortem, 7.5 months after the implantation procedure, revealed complete luminal epithelialization and partial esophageal tissue regeneration.Autologous Ad-MSC seeded onto a tubular CEI tissue-engineered graft stimulates tissue regeneration following implantation after a full circumferential esophageal resection.

Autologous bone marrow mononuclear cells (BMMNCs) infused after severe traumatic brain injury have shown promise for treating the injury. We evaluated their impact in children, particularly their hypothesized ability to preserve the blood-brain barrier and diminish neuroinflammation, leading to structural central nervous system preservation with improved outcomes. We performed a randomized, double-blind, placebo-sham-controlled Bayesian dose-escalation clinical trial at 2 children's hospitals in Houston, TX and Phoenix, AZ, USA (NCT01851083). Patients 5-17 years of age with severe traumatic brain injury (Glasgow Coma Scale ≤ 8) were randomized to BMMNC or placebo (3:2). Bone marrow harvest, cell isolation, and infusion were completed by 48 hours post-injury. Bayesian continuous reassessment method was used with cohorts of size 3 in the BMMNC group to choose the safest between 2 doses. Primary endpoints were quantitative brain volumes using magnetic resonance imaging and microstructural integrity of the corpus callosum (CC; diffusivity and edema measurements) at 6 months and 12 months. Long-term functional outcomes and ventilator days, intracranial pressure monitoring days, intensive care unit days, and therapeutic intensity measures were compared between groups. Forty-seven patients were randomized, with 37 completing 1-year follow-up (23 BMMNC, 14 placebo). BMMNC treatment was associated with an almost 3-day (23%) reduction in ventilator days, 1-day (16%) reduction in intracranial pressure monitoring, and 3-day (14%) reduction in intensive care unit (ICU) days. White matter volume at 1 year in the BMMNC group was significantly preserved compared to placebo (decrease of 19891 vs 40491, respectively; mean difference of -20600, 95% CI: -35868 to -5332; P = 0.01), and the number of CC streamlines was reduced more in placebo than BMMNC, supporting evidence of preserved CC connectivity in the treated groups (-431 streamlines placebo vs. -37 streamlines BMMNC; mean difference of -394, 95% CI: -803 to 15; P = 0.055), but this did not reach statistical significance due to high variability. We conclude that autologous BMMNC infusion in children within 48 hours after severe traumatic brain injury is safe and feasible. Our data show that BMMNC infusion led to 1) shorter intensive care duration and decreased ICU intensity; 2) white matter structural preservation; and 3) enhanced CC connectivity and improved microstructural metrics.