The meningeal stem cell niche in health and disease

Il nostro gruppo ha dimostrato per la prima volta che una nuova nicchia di cellule precursori/staminali con potenziale di differenziamento neuronale risiede nelle meningi cerebrali di ratti in età postnatale. Grazie alla loro locazione superficiale, le meningi possono rappresentare una un nuovo ed accessibile tessuto ospitante cellule neuronali precursori/staminali nel Sistema Nervoso Centrale (SNC). Questo rappresenta un importante aspetto che può aprire nuove prospettive per la possibile estrazione e collezione di Cellule Staminali Neuronali (CSN) per la medicina rigenerativa e il trapianto autologo. Inoltre, ogni vaso nel SNC è circondato dallo Spazio Perivascolare (spazio di Virchow-Robin) formato da estroflessioni delle meningi e riempito da liquido cerebrospinale. Ciò suggerisce che le cellule precursori/staminali possono essere ampiamente distribuite anche nel parenchima del SNC. Per questo, noi ipotizziamo che le cellule neuronali precursori/staminali residenti nelle meningi possono contribuire alla omeostasi del SNC in situazioni normali e di malattia. La verifica di questa ipotesi può offrire nuove prospettive per la generazione di nuovi approcci farmacologici per il trattamento di malattie neurodegenerative. Basandosi sugli ottimi potenziali e sulla rilevanza delle nostre precedenti scoperte, durante il mio PhD, ho indirizzato i miei studi nelle seguenti principali domande: Come si distribuiscono le cellule meningee precursori/staminali nel cervello e nel midollo spinale di adulto? La nicchia meningea di cellule precursori/staminali è modificata da condizioni patologiche? Il piano sperimentale di questi due anni di PhD è stato focalizzato nello studio delle cellule meningee precursori/staminali e nella nicchia staminale meningea di organismi modello (ratti e topi). Al fine di analizzare la nicchia meningea a livello cellulare e molecolare, abbiamo usato la combinazione di diverse tecniche come la microscopia confocale ad immunofluorescenza, la real time PCR, il western blot e la coltura di cellule in vitro. Per descrivere le caratteristiche cellulari e molecolari della nicchia staminale meningea, abbiamo analizzato l’espressione e la distribuzione di markers per le cellule progenitrici/staminali (nestina, dcx, cxcr4), per la proliferazione (ki67), l’auto-rinnovamento (oct4, BrdU) e per la matrice extracellulare (laminina, fibronectina). Abbiamo trovato che cellule precursori/staminali con capacità di auto-rinnovamento sono presenti nelle meningi del cervello adulto. Inoltre, abbiamo dimostrato che la presenza di una popolazione di cellule immature nestina positive è una caratteristica conservata tra le speci, compresa quella umana. Il complesso equilibrio presente nel CNS adulto include anche la partecipazione di nicchie NSC funzionali. per studiare l'influenza del SNC in condizioni di malattia nella nicchia staminale meningea, abbiamo analizzato le meningi del cervello di topi affetti da una severa immunodeficienza (SCID) e le meningi del midollo spinale di ratti lesionati (SCI). La nicchia staminale meningea nei topi SCID era profondamente cambiata. Il numero di cellule precursori/staminali era statisticamente diminuita e ciò era associato ad un drammatico aumento delle componenti della matrice cellulare ed extracellulare (fibroblasti, fibronectina e collagene). Oltre a questo, le cellule precorsori/staminali delle meningi di topi SCID hanno dimostrato una velocità proliferativa diminuita in vitro. Questi risultati indicano che la mancanza del sistema immunitario adattativo porta ad una diminuzione delle proprietà staminali della nicchia staminale meningea. Nei ratti SCI abbiamo invece trovato che la nicchia di cellule precursori/staminali aumenta in spessore, e queste cellule aumentano la loro capacità proliferativa e il loro numero. Inoltre, la lesione induce un globale aumento della staminalità legata al profilo di espressione genica. Questa osservazione suggerisce che la SCI induce nelle meningi del midollo spinale un'amplificazione delle proprietà di staminalità della nicchia. In conclusione, i principali risultati di questo lavoro sono: 1) Una popolazione di cellule Precursori/staminali è presente nelle meningi adulte ed è conservata tra le specie. 2) La nicchia meningea, compresa la popolazione di cellule nestina positive del cervello di topo adulto risulta perturbata in modelli di immunodeficienza; 3) La nicchia meningea del midollo spinale di ratto adulto è attivata da un trauma di natura contusiva: le cellule precursori/staminali proliferano ed aumentano in numero. Tutti assieme questi risultati suggeriscono un nuovo ruolo delle meningi come una potenziale nicchia di cellule precorsori/staminali endogene che possono essere modificate in condizione di malattia. Sarà necessaria un ulteriore valutazioni dei meccanismi molecolari coinvolti in condizioni fisiopatologiche delle cellule precursori/staminali delle meningi. Altri risultati potranno aprire interessanti prospettive nella ricerca di nuovi trattamenti farmacologici e nella medicina rigenerativa applicata alle malattie del SNC.

Our group have demonstrated for the first time that a new niche for stem/precursor cells with neural differentiation potential resides in brain meninges (arachnoid and pia mater) of postnatal rats. Meningeal stem/progenitor cells express the neural stem progenitor marker nestin and can be extracted and expanded in vitro as neurospheres. Moreover, they can be induced to differentiate into neurons both in vitro and in vivo (Bifari et al., 2009). Thanks to their superficial location, meninges might represent a new easy accessible tissue hosting neural stem/progenitor cell in the Central Nervous system (CNS). This represents an important aspect that may open new perspective for the possible collection of Neural Stem Cells (NSCs) for regenerative medicine and autologous transplantation. Moreover, every parenchymal vessels inside the CNS are surrounded by a perivascular space (Virchow–Robin space) formed by the extroflexions of meninges filled with cerebrospinal fluid suggesting that meningeal stem/progenitor cells might be widely distributed also in CNS parenchyma. Thus, we hypothesized that meningeal stem/progenitor cells may contribute to CNS homeostasis in health and disease. Verifying this hypothesis could offer new insights for the generation of novel pharmacological approaches to treat neurodegenerative diseases. Based on the great potential and the relevance of our previous finding, during my PhD period, I addressed the following main questions: How is the distribution of the meningeal stem/progenitor cell niche in adult brain and spinal cord? Is the meningeal stem/progenitor cell niche modified by pathological conditions? The experimental plan of these two years of PhD has been focused on the study of the meningeal stem/progenitor cells and the meningeal stem cell niche in healthy and disease animal models (rat and mice). To analyze the meningeal niche at the cellular and molecular levels, we used the combinations of different technical approaches such as immunofluorescence confocal microcopy, real time PCR, western blot and in vitro cell culture. To describe the molecular and cellular features of the meningeal stem/progenitor cells and the organization of the meningeal stem cell niche in adult animals, we analyzed the expression and 4 distribution of markers of stem/progenitor cells (nestin/dcx/cxcr4), proliferation (ki67), self renewal (oct4, BrdU) and extracellular matrix components (laminin, fibronectin, condroitin sulphate, collagen 1a). We found that stem/progenitor cells with self-renewal and proliferative properties are present in adult brain and spinal cord meninges. Moreover, we have shown that the presence of immature nestin/positive cells population is a conserved feature across species including human. The complex dynamic equilibrium present in healthy adult CNS also involves the participation of functional NSC niches. In CNS, various pathogenic events acting by different mechanisms may cause neural cell loss and chronic inflammation. Several agents and mediators sustaining these mechanisms also act on niche homeostasis and it is therefore expected that these conditions may have a deep impact on NSC biology and NSC niche properties. To investigate the influence of CNS disease conditions on the meningeal stem cell niche, we have analyzed meninges of severe combined immunodeficient (SCID) mice and spinal cord injured (SCI) rats. Meningeal stem cell niche in SCID mice was deeply changed. The number of the stem/progenitor cells was statistically significantly decreased associated with a dramatically increase in the cellular and extracellular matrix components related to fibrosis (i.e. fibroblasts, fibronectin and collagene). Furthermore, stem/progenitor cells of meninges have shown a lower proliferation rate in vitro. These data indicate that the lack of the adaptive immune system decreases the stemness properties of the meningeal stem cell niche. In SCI mice model we found that meningeal stem/progenitor cell niche is activated. Following the contusion the meningeal niche increase in thickens, stem/progenitor cells largely increase their proliferation and number. Moreover, we found that SCI induced a global increase in the stemness related gene expression profile. This observation suggests that SCI induces in spinal cord meninges an amplification of the stemness properties of the niche. In conclusion the main results of this work are: I) A stem/precursor cell population, is present in adult meninges and is conserved across species; II) The meningeal niche, including the immature nestin positive cell population, of adult mice brain result perturbed in immunodeficient animal model; 5 III) Meningeal niche is activated by contusive spinal cord injury: meningeal stem/precursor cells proliferate and increase in number. All together our data suggest a novel role for meninges as a potential niche harboring endogenous stem/precursor cells that can be functionally modulated in disease conditions. Depending on specific disease-related stimuli, the meningeal stem cell niche can react both by increasing or decreasing its stem cell properties. This differential response to specific conditions, suggests a potential role and contribution of the meningeal stem/progenitor cells in the physiopathological events occurring in CNS diseases. Further evaluation of the molecular mechanisms involved in the meningeal stem/progenitor cells contribution to the physiopathology of different diseases, will open new prospective for the research on pharmacological treatments and regenerative medicine applied to CNS disease.