Objective: To test the effect of IV-injected human bone marrow stromal cells (hMSC) on neurologic functional deficits after stroke in rats. Methods:  Rats were subjected to transient middle cerebral artery occlusion and IV injected with 3 × 10⁶ hMSC 1 day after stroke. Functional outcome was measured before and 1, 7, and 14 days after stroke. Mixed lymphocyte reaction and the development of cytotoxic T lymphocytes measured the immune rejection of hMSC. A monoclonal antibody specific to human cellular nuclei (mAb1281) was used to identify hMSC and to measure neural phenotype. ELISA analyzed neurotrophin levels in cerebral tissue from hMSC-treated or nontreated rats. Bromodeoxyuridine injections were used to identify newly formed cells. Results:  Significant recovery of function was found in rats treated with hMSC at 14 days compared with control rats with ischemia. Few (1 to 5%) hMSC expressed proteins phenotypic of brain parenchymal cells. Brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor significantly increased, and apoptotic cells significantly decreased in the ischemic boundary zone; significantly more bromodeoxyuridine-reactive cells were detected in the subventricular zone of the ischemic hemisphere of rats treated with hMSC. hMSC induced proliferation of lymphocytes without the induction of cytotoxic T lymphocytes. Conclusion: Neurologic benefit resulting from hMSC treatment of stroke in rats may derive from the increase of growth factors in the ischemic tissue, the reduction of apoptosis in the penumbral zone of the lesion, and the proliferation of endogenous cells in the subventricular zone.

A new model of crystal growth is presented that describes the phenomena on atomic length and diffusive time scales. The former incorporates elastic and plastic deformation in a natural manner, and the latter enables access to time scales much larger than conventional atomic methods. The model is shown to be consistent with the predictions of Read and Shockley for grain boundary energy, and Matthews and Blakeslee for misfit dislocations in epitaxial growth.

Abstract Multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) have potential therapeutic benefit for the treatment of neurological diseases and injury. MSCs interact with and alter brain parenchymal cells by direct cell-cell communication and/or by indirect secretion of factors and thereby promote functional recovery. In this study, we found that MSC treatment of rats subjected to middle cerebral artery occlusion (MCAo) significantly increased microRNA 133b (miR-133b) level in the ipsilateral hemisphere. In vitro, miR-133b levels in MSCs and in their exosomes increased after MSCs were exposed to ipsilateral ischemic tissue extracts from rats subjected to MCAo. miR-133b levels were also increased in primary cultured neurons and astrocytes treated with the exosome-enriched fractions released from these MSCs. Knockdown of miR-133b in MSCs confirmed that the increased miR-133b level in astrocytes is attributed to their transfer from MSCs. Further verification of this exosome-mediated intercellular communication was performed using a cel-miR-67 luciferase reporter system and an MSC-astrocyte coculture model. Cel-miR-67 in MSCs was transferred to astrocytes via exosomes between 50 and 100 nm in diameter. Our data suggest that the cel-miR-67 released from MSCs was primarily contained in exosomes. A gap junction intercellular communication inhibitor arrested the exosomal microRNA communication by inhibiting exosome release. Cultured neurons treated with exosome-enriched fractions from MSCs exposed to 72 hours post-MCAo brain extracts significantly increased the neurite branch number and total neurite length. This study provides the first demonstration that MSCs communicate with brain parenchymal cells and may regulate neurite outgrowth by transfer of miR-133b to neural cells via exosomes.

Exosomes are 30-150 nm vesicles secreted by a wide range of mammalian cells that can contain microRNA (miRNA). To test if marrow stromal cell (MSC) exosomes could be used as a vehicle for delivery of anti-tumor miRNAs, we transfected MSCs with a miR-146b expression plasmid, and harvested exosomes released by the MSCs. Intra-tumor injection of exosomes derived from miR-146-expressing MSCs significantly reduced glioma xenograft growth in a rat model of primary brain tumor.

OBJECT Transplanted multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) improve functional recovery in rats after traumatic brain injury (TBI). In this study the authors tested a novel hypothesis that systemic administration of cell-free exosomes generated from MSCs promotes functional recovery and neurovascular remodeling in rats after TBI. METHODS Two groups of 8 Wistar rats were subjected to TBI, followed 24 hours later by tail vein injection of 100 μg protein of exosomes derived from MSCs or an equal volume of vehicle (phosphate-buffered saline). A third group of 8 rats was used as sham-injured, sham-treated controls. To evaluate cognitive and sensorimotor functional recovery, the modified Morris water maze, modified Neurological Severity Score, and foot-fault tests were performed. Animals were killed at 35 days after TBI. Histopathological and immunohistochemical analyses were performed for measurements of lesion volume, neurovascular remodeling (angiogenesis and neurogenesis), and neuroinflammation. RESULTS Compared with the saline-treated group, exosome-treated rats with TBI showed significant improvement in spatial learning at 34–35 days as measured by the modified Morris water maze test (p < 0.05), and sensorimotor functional recovery (i.e., reduced neurological deficits and foot-fault frequency) was observed at 14–35 days postinjury (p < 0.05). Exosome treatment significantly increased the number of newly generated endothelial cells in the lesion boundary zone and dentate gyrus and significantly increased the number of newly formed immature and mature neurons in the dentate gyrus as well as reducing neuroinflammation. CONCLUSIONS The authors demonstrate for the first time that MSC-generated exosomes effectively improve functional recovery, at least in part, by promoting endogenous angiogenesis and neurogenesis and by reducing inflammation in rats after TBI. Thus, MSC-generated exosomes may provide a novel cell-free therapy for TBI and possibly for other neurological diseases.

Abstract The present study investigates the induction of neurogenesis, reduction of apoptosis, and promotion of basic fibroblast growth factor (bFGF) expression as possible mechanisms by which treatment of stroke with bone marrow stromal cells (MSCs) improves neurological functional recovery. Additionally, for the first time, we treated cerebral ischemia in female rats with intraveneous administration of MSCs. Female rats were subjected to 2 hr of middle cerebral artery occlusion (MCAo), followed by an injection of 3 × 10 6 male (for Y chromosome labeling) rat MSCs or phosphate‐buffered saline (PBS) into the tail vein 24 hr after MCAo. All animals received daily injection of bromodeoxyuridine (BrdU; 50 mg/kg, i.p.) for 13 days after treatment for identification of newly synthesized DNA. Animals were sacrificed at 14 days after MCAo. Behavioral tests (rotarod and adhesive‐removal tests) were performed. In situ hybridization, immunohistochemistry, and terminal deoxynucleotidyltransferase (TdT)‐mediated dUTP‐biotin nick‐end labeling (TUNEL) were performed to identify transplanted MSCs (Y chromosome), BrdU, bFGF, and apoptotic cells in the brain. Significant recovery of behavior was found in MSC‐treated rats at 7 days in the somatosensory test and at 14 days in the motor test after MCAo compared with control, PBS‐treated animals ( P < .05). MSCs were found to survive and preferentially localize to the ipsilateral ischemic hemisphere. Significantly more BrdU‐positive cells were located in the subventricular zone ( P < .05), and significantly fewer apoptotic cells and more bFGF immunoreactive cell were found in the ischemic boundary area ( P < .05) of MSC‐treated rats than in PBS‐treated animals. Here we demonstrate that intravenously administered male MSCs increase bFGF expression, reduce apoptosis, promote endogenous cellular proliferation, and improve functional recovery after stroke in female rats. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract We demonstrate that the 3‐hydroxy‐3‐methyl‐glutaryl‐coenzyme A (HMG‐CoA) reductase inhibitors atorvastatin and simvastatin enhance functional outcome and induce brain plasticity when administered after stroke to rats. With atorvastatin treatment initiated 1 day after stroke, animals exhibited significant increases in vascular endothelial growth factor, cyclic guanosine monophosphate, angiogenesis, endogenous cell proliferation and neurogenesis, and an increase in the synaptic protein, synaptophysin. Atorvastatin‐induced angiogenesis in a tube formation assay was reduced by an antibody against the vascular endothelial growth factor receptor 2 (FIK‐1) and by the nitric oxide synthase inhibitor, N ‐mono‐methyl‐ L ‐arginine (L‐NAME). Atorvastatin also induced phosphorylation of Akt and Erk in cultured primary cortical neurons. These data indicate that atorvastatin induced brain plasticity and has neurorestorative activity after experimental stroke. Ann Neurol 2003

Background and Purpose— Multipotent mesenchymal stromal cell (MSC) harvested exosomes are hypothesized as the major paracrine effectors of MSCs. In vitro, the miR-17–92 cluster promotes oligodendrogenesis, neurogenesis, and axonal outgrowth. We, therefore, investigated whether the miR-17–92 cluster–enriched exosomes harvested from MSCs transfected with an miR-17–92 cluster plasmid enhance neurological recovery compared with control MSC-derived exosomes. Methods— Rats subjected to 2 hours of transient middle cerebral artery occlusion were intravenously administered miR-17–92 cluster–enriched exosomes, control MSC exosomes, or liposomes and were euthanized 28 days post–middle cerebral artery occlusion. Histochemistry, immunohistochemistry, and Golgi–Cox staining were used to assess dendritic, axonal, synaptic, and myelin remodeling. Expression of phosphatase and tensin homolog and activation of its downstream proteins, protein kinase B, mechanistic target of rapamycin, and glycogen synthase kinase 3β in the peri-infarct region were measured by means of Western blots. Results— Compared with the liposome treatment, both exosome treatment groups exhibited significant improvement of functional recovery, but miR-17–92 cluster–enriched exosome treatment had significantly more robust effects on improvement of neurological function and enhancements of oligodendrogenesis, neurogenesis, and neurite remodeling/neuronal dendrite plasticity in the ischemic boundary zone (IBZ) than the control MSC exosome treatment. Moreover, miR-17–92 cluster–enriched exosome treatment substantially inhibited phosphatase and tensin homolog, a validated miR-17–92 cluster target gene, and subsequently increased the phosphorylation of phosphatase and tensin homolog downstream proteins, protein kinase B, mechanistic target of rapamycin, and glycogen synthase kinase 3β compared with control MSC exosome treatment. Conclusions— Our data suggest that treatment of stroke with tailored exosomes enriched with the miR-17–92 cluster increases neural plasticity and functional recovery after stroke, possibly via targeting phosphatase and tensin homolog to activate the PI3K/protein kinase B/mechanistic target of rapamycin/glycogen synthase kinase 3β signaling pathway.

Molecular mechanisms underlying the role of statins in the induction of brain plasticity and subsequent improvement of neurologic outcome after treatment of stroke have not been adequately investigated. Here, we use both in vivo and in vitro studies to investigate the potential roles of two prominent factors, vascular endothelial growth factor (VEGF) and brain-derived neurotrophic factor (BDNF), in mediating brain plasticity after treatment of stroke with atorvastatin. Treatment of stroke in adult mice with atorvastatin daily for 14 days, starting at 24 hours after MCAO, shows significant improvement in functional recovery compared with control animals. Atorvastatin increases VEGF, VEGFR2 and BDNF expression in the ischemic border. Numbers of migrating neurons, developmental neurons and synaptophysin-positive cells as well as indices of angiogenesis were significantly increased in the atorvastatin treatment group, compared with controls. In addition, atorvastatin significantly increased brain subventricular zone (SVZ) explant cell migration in vitro. Anti-BDNF antibody significantly inhibited atorvastatin-induced SVZ explant cell migration, indicating a prominent role for BDNF in progenitor cell migration. Mouse brain endothelial cell culture expression of BDNF and VEGFR2 was significantly increased in atorvastatin-treated cells compared with control cells. Inhibition of VEGFR2 significantly decreased expression of BDNF in brain endothelial cells. These data indicate that atorvastatin promotes angiogenesis, brain plasticity and enhances functional recovery after stroke. In addition, VEGF, VEGFR2 and BDNF likely contribute to these restorative processes.

Intravenous administration of human bone marrow stromal cells (hMSCs) after middle cerebral artery occlusion (MCAo) in rats provides functional benefit. We tested the hypothesis that these functional benefits are derived in part from hMSC production of growth and trophic factors. Quantitative sandwich enzyme‐linked immunosorbent assay (ELISA) of hMSCs cultured with normal and MCAo brain extracts were performed. hMSCs cultured in supernatant derived from ischemic brain extracts increased production of brain‐derived neurotrophic factor (BDNF), nerve growth factor (NGF), vascular endothelial growth factor (VEGF) and hepatocyte growth factor (HGF). These neurotrophins and angiogenic growth factors increased in a post‐ischemia time‐dependent manner. The hMSC capacity to increase expression of growth and trophic factors may be the key to the benefit provided by transplanted hMSCs in the ischemic brain.