Neural Crest Neuroblasts Can Colonise Aganglionic and Ganglionic Gut In Vivo

Abstract

Introduction: Neural crest (NC) cells differentiate in vitro into neuroblasts, precursors of the enteric nervous system (ENS), when stimulated by specific agents. We developed a study aimed at establishing whether NC-derived neuroblasts can survive and colonise in vivo when injected into a recipient mouse gut. Materials and Methods: The neuroblast precursors of the ENS were obtained from the vagal portion of the neural tubes of 296 CD-1 and Gtrosa26 mouse embryos. The embryonic cells of Gtrosa26 mice are identifiable through beta-galactosidase activity which allows recognition by blue staining. The host used in this study was the Dom/⁺ mouse, an animal model for Hirschsprung's disease (aganglionic megacolon). Dom/⁺ mouse pups (n = 43) received NC-derived cells inoculated into the seromuscular layer of the gut (33/43) or directly into the peritoneal abdominal cavity (10/43). Results: All Dom/⁺ mice survived the procedure and were sacrificed after 7 or 14 days. Histochemical staining detected implanted cells in all mice. These showed specific myenteric colonisation into the aganglionic and ganglionic gut. Conclusion: The striking result of this study was the specific tropism of the injected NC-derived cells to target sites under the action of unknown chemotactic agents. This experimental procedure might represent a possible treatment option for specific forms of human ENS anomaly such as total intestinal aganglionosis.

Les cellules de la crête neurale peuvent coloniser l'intestin aganglionnaire et ganglionnaire in vivo

Introduction: Les cellules de la crête neurale (NC) se différencient in vitro en neuroblastes précurseurs du système nerveux entérique (ENS) quand ils sont stimulés par des agents spécifiques. Nous développons une étude chez l'animal pour savoir si les neuroblastes dérivés de la crête neurale peuvent survivre et coloniser in vivo l'intestin d'une souris. Méthodes: Les précurseurs du neuroblastes du ENS sont obtenus de la portion vagale des tubes neuraux d'embryons de souris 296 CD-1 et Gtrosa26. Les cellules embryonnaires de Gtrosa26 sont identifiables par leur activité beta-galactosidase ce qui permet de les reconnaître par coloration bleue. L'hôte utilisé dans cette étude était la souris Dom, un animal modèle pour la maladie de Hirschsprung (mégacolon aganglionnaire). Les nouveaux-nés de souris Dom (n = 43) ont reçu des cellules dérivées de la crête neurale inoculées dans le plan séro-musculaire de l'intestin (33/43) ou directement dans la cavité abdominale (10/43). Résultats: Toutes les souris Dom ont survécu à l'intervention et ont été sacrifiées après 7 ou 14 jours. Les études histo-chimiques ont recherché les cellules implantées chez toutes les souris. Celles-ci ont montré une colonisation myentérique spécifique de l'intestin aganglionnaire et ganglionnaire. Conclusion: Le résultat de cette étude est de montrer le tropisme spécifique des cellules dérivées de la crête neurale vers les sites cible sous l'action d'agents chemotactiques inconnus. Ce procédé expérimental peut être un possible traitement pour les formes d'anomalie du système nerveux entérique telles que les aganglionoses totales.

Neuroblastos de la cresta neural pueden colonizar el intestino agangliónico y gangliónico in vivo

Introducción: Las células de la cresta neural (NC) se diferencian in vitro en neuroblastos, precursores del sistema nervioso entérico (ENS) cuando se estimulan con agentes específicos. Desarrollamos un estudio dirigido a establecer si los neuroblastos de la NC pueden sobrevivir y colonizar in vivo cuando se inyectan en el intestino de un ratón receptor. Materiales y Métodos: Los precursores neuroblásticos del ENS se obtuvieron de la porción vagal de los tubos neurales de 296 embriones de ratón CD‐1 y Gtrosa26. Las células embrionarias de Gtrosa 26 fueron identificables por su actividad beta-galactosidasa que permite su reconocimiento por tinción azul. El huesped usado en este estudio fue el ratón Dom/⁺ , un modelo animal para enfermedad de Hirschsprung (megacolon agangliónico). Las crías de ratón Dom/⁺ (n = 43) recibieron células derivadas de NC inoculadas en la capa seromuscular del intestino (33/43) o directamente en la cavidad abdominal peritoneal (10/43). Resultados: Todos los ratones Dom/⁺ sobrevivieron al procedimiento y se sacrificaron 7 o 14 días más tarde. La tinción histoquímica detectó células implantadas en todos los casos con colonización mientérica específica en el intestino gangliónico y en el agangliónica. Conclusión: El sorprendente resultado de este estudio fue el tropismo específico de las células derivadas de NC inyectadas hacia puntos diana bajo la acción de agentes quimotácticos desconocidos. Este procedimiento experimental puede representar una posible vía terapeútica para formas específicas de anomalías humanas del ENS como el aganglionismo intestinal total.

Neuroblasten der Neuralleiste können sowohl den aganglionären wie den ganglionären Darm in vivo besiedeln

Zielsetzung: Zellen der Neuralleiste differenzieren in vitro, wenn sie durch spezifische Agentien stimuliert werden, in Neuroblasten, den Vorläufern des enteralen Nervensystems (ENS). Wir führten eine Studie durch, um nachzuprüfen, ob Neuroblasten der Neuralleiste auch in vivo, nach Injektion in den Darm einer Wirtsmaus, überleben und diesen Darm weiter besiedeln können. Material und Methode: Die Neuroblasten wurden vom Vagusanteil der Neuralleiste von 296 CD-1- und Gtrosa26-Mäuseembryonen gewonnen. Die embryonalen Zellen der Gtrosa-Mäuse können durch die Beta-galactosidase Aktivität mittels Blaufärbung identifiziert werden. Der in der vorliegenden Studie verwandte Wirt war die Dom/⁺-Maus, ein Tiermodell für die Hirschsprungsche Erkrankung. Dom/⁺-Mäusebabys (n = 43) wurden die Neuroblasten seromuskulär in den Darm oder direkt intraperitoneal (10/43) injiziert (33/43). Ergebnisse: Alle Dom/⁺Mäuse überlebten den Eingriff und wurden am 7. - 14. Tag getötet. Histochemische Untersuchungen konnten die Neuroblasten bei allen Tieren nachweisen. Die Mäuse zeigten eine spezifische myenterische Kolonisierung sowohl im ganglionären wie im aganglionären Darmabschnitt. Schlussfolgerungen: Das beeindruckende Ergebnis dieser Studie war der spezifische Tropismus der injizierten Neuroblasten zum Zielort unter dem Einfluss unbekannter chemotaktischer Faktoren. Dieses Experiment könnte eine Behandlungsmöglichkeit für bestimmte Fehlbildungen des enteralen Nervensystems, wie die vollständige Aganglionose, darstellen.

Key words

neural crest (NC) - enteric nervous system (ENS) - Hirschsprung's disease (HSCR) - stem cells - animal model

Mots-clés

crête neurale - système nerveux entérique (ENS) - maladie de Hirschsprung - cellules souches - modèle animal

Palabras clave

cresta neural (NC) - sistema nervioso entérico (ENS) - enfermedad de Hirschsprung (HSCR) - células madre - modelos animales

Schlüsselwörter

Neuralleiste - Neuroblasten - enterales Nervensystem - Aganglionose - Hirschsprung'sche Erkrankung - Stammzellen - Tiermodel

References

• 1 Ayer-Le Lièvre C, Le Dourain N M. The early development of cranial sensory ganglia and the potentialities of their component cells studied in quail-chick chimeras.  Devl Biol. 1982;  94 291-310
• 2 Badner J A, Sieber W K, Garver K L, Chakravarti A. A genetic study of Hirschsprung disease.  Hum Genet. 1990;  46 568-580
• 3 Barlow A, de Graaff E, Pachnis V. Enteric nervous system progenitors are coordinately controlled by the G protein-coupled receptor EDNRB and the receptor tyrosine kinase RET.  Neuron. 2003;  40 905-916
• 4 Boisseau S, Simmoneau M. Mammalian neuronal differentiation: early expression of neuronal phenotype from mouse neural crest cells in a chemically defined culture medium.  Development. 1989;  106 665-674
• 5 Bondurand N, Natarajan D, Thapar N, Atkins C, Pacnis V. Neuron and glia generating progenitors of the mammalian enteric nervous system isolated from foetal and postnatal gut cultures.  Development. 2003;  130 6387-6400
• 6 Brizzolara A, Favre A, Schäfer K H, Michelazzi A, Sanguineti M, Martucciello G, Jasonni V. Mouse-isolated plexus differentiates neural crest precursors into enteric neuroblast.  Eur J Pediatr Surg. 2002;  12 391-396
• 7 Brizzolara A, Torre M, Favre A, Pini Prato A, Bocciardi R, Martucciello G. Histochemical study of mouse: a model for Waardenburg-Hirschsprung's phenotype.  J Pediatr Surg. 2004;  39 1098-1103
• 8 Burns A J, Le Dourain N M. Enteric nervous system development: analysis of the selective developmental potentialities of vagal and sacral neural crest cells using quail-chick chimeras.  Anat Rec. 2001;  262 16-28
• 9 Burns A J, Delalande J M, Le Douarin N M. In ovo transplantation of enteric nervous system precursors from vagal to sacral neural crest results in extensive hindgut colonisation.  Development. 2002;  129 2785-2796
• 10 Cacheux V, Dastot-Le Moal F, Kaariainen H, Bondurand K N, Rintala R, Boisser B, Wilson M, Mowat D, Goosense M. Loss of function mutations in SIP1 Smad interacting protein 1 result in a syndromic Hirschsprung disease.  Hum Mol Genet. 2001;  10 1503-1510
• 11 Della Valle A. Ricerche istoriche su di un caso di megacolon congenito.  Pediatria. 1920;  28 740-743
• 12 Garcia-Barcelò M, Sham M H, Lee W S, Lui V C, Chen B L, Wong K K, Wong J S, Tam P K. Higly recurrent RET mutations and novel mutations in genes of the receptor tyrosine kinase and endothelin receptor B pathways in Chinese patients with sporadic Hirschsprung disease.  Clin Chem. 2004;  50 93-100
• 13 Georgeson K E. Laparoscopic-assisted pull-through for Hirschsprung's disease.  Semin Pediatr Surg. 2002;  11 205-210
• 14 Gershon M D. Genes and lineages in the formation of the enteric nervous system.  Curr Opin Neurobiol. 1997;  7 101-109
• 15 Herbarth B, Pingault V, Bondurand N, Kuhlbrodt K, Hermans-Borgmeyer I, Puliti A, Lemort N, Goossens M, Wegner M. Mutation of the Sry-related Sox10 gene in dominant megacolon, a mouse model for human Hirschsprung disease.  Proc Natl Acad Sci USA. 1998;  95 5161-5165
• 16 Kanelos S K, McDeavitt J T. Neural transplantation: potential role in traumatic brain injury.  Head Trauma Rehabil. 1998;  13 1-9
• 17 Kapur R P, Yost C, Palmiter R D. A transgenic model for studying development of the enteric nervous system in normal and aganglionic mice.  Development. 1992;  116 167-175
• 18 Lane P W, Liu H M. Association of megacolon with a new dominant spotting gene (Dom) in the mouse.  J Hered. 1984;  75 435-439
• 19 Le Douarin N M, Teillet M A, Catala M. Neurulation in amniote vertebrates: a novel view deduced from the use of quail-chick chimeras.  Int J Dev Biol. 1998;  42 909-916
• 20 Martucciello G, Bicocchi M P, Dodero P, Lerone M, Silengo Cirillo M, Puliti A, Gimelli G, Romeo G, Jasonni V. Total colonic aganglionosis associated with interstitial deletion of the long arm of chromosome 10.  Pediatr Surg. 1992;  7 308-310
• 21 Martucciello G, Ceccherini I, Lerone M, Jasonni V. Pathogenesis of Hirschsprung's disease.  J Ped Surg. 2000;  35 1017-1025
• 22 Martucciello G, Pini Prato A, Puri P, Holschneider A, Meier-Rouge W, Jasonni V, Tovar J, Grosfeld J. Controversies concerning diagnostic guidelines for anomalies of the enteric nervous system. A report from the fourth International Symposium on Hirschsprung's disease and related neurocristopathies.  J Pediatr Surg. 2005;  40 1527-1531
• 23 Maxwell G D, Reid K, Elefanty A, Bartlett P F, Murphy M. Glial cell-line derived neurotropich factor promotes the developmente of adrenergic neurons in mouse neural crest cultures.  PNAS USA. 1996;  93 13274-13279
• 24 Meier-Ruge W A, Bruder E. Pathology of chronic constipation in pediatric and adult coloproctology.  Karger AG, Basel (Switzerland): Pathobiology. 2005;  72 1-106
• 25 Milbrandt J, de Sauvage F J, Fahrner T J, Baloh R H, Leitner M L, Tansey M G, Lampe P A, Heuckeroth R O, Kotzbauer P T, Simburger K S, Golden J P, Davies J A, Vejsada R, Kato A C, Hynes M, Sherman D, Nishimura M, Wang L C, Vandlen R, Moffat B, Klein R D, Poulsen K, Gray C, Garces A, Henderson C E, Phillips H S, Johnson Jr E M. Persephin, a novel neurotrophic factor related to GDNF and neurturin.  Neuron. 1998;  20 245-253
• 26 Nishijima E, Meijers J H, Tibboel D, Luider T M, Peters-van der Sanden M M, van der Kamp A W, Molenar J C. Formation and malformation of the enteric nervous system in mice: an organ culture study.  J Pediatr Surg. 1990;  25 627-631
• 27 Parisi M A, Kapur R P. Genetics of Hirschsprung disease.  Curr Opin Pediatr. 2000;  12 610-617
• 28 Pasini B, Borrello M G, Greco A, Bongarzone I, Luo Y, Mondelini P, Alberti L, Miranda C, Arighi E, Bocciardi R. Loss of function effect of RET mutations causing Hirschsprung disease.  Nat Genet. 1995;  10 35-40
• 29 Romeo G, Ronchetto P, Luo Y, Barone V, Seri M, Ceccherini I, Pasini B, Bocciardi R, Lerone M, Kaariainen H. Point mutations affecting the tyrosine kinase domain of the RET proto-oncogene in Hirschsprung's disease.  Nature. 1994;  367 377-378
• 30 Rothman T P, Gershon M D. Regionally defective colonization of the terminal bowel by the precursors of enteric neurons in lethal spotted mutant mice.  Neuroscience. 1984;  12 1293-1311
• 31 Sandgren K, Ekblad E, Larsson L T. Survival of neurons and interstitial cells of Cajal after autotransplantation of myenteric ganglia from small intestine in the lethal spotted mouse.  Pediatr Surg Int. 2000;  16 272-276
• 32 Seri M, Yin L, Barone V, Bolino A, Celli I, Bocciardi R, Pasini B, Ceccherini I, Lerone M, Kristofferson U, Larsson L T, Casasa J M, Cass D T, Abramowicz M J, Vanderwiden J M, Kravcenkiene I, Baric I, Cilengo M, Martucciello G, Romeo G. Frequency of RET mutations in long- and short-segment Hirschsprung disease.  Hum Mutat. 1997;  9 243-249
• 33 Stein D G. Fetal brain tissue grafting as therapy for brain dysfunction: unanswered questions, unknown factors, and practical concerns.  J Neurosurg Anesthesiol. 1991;  3 170-189
• 34 Swenson O. A new surgical treatment for Hirschsprung's disease.  Surgery. 1950;  28 371-383
• 35 Tam P KH, Gould S J, Martucciello G, Biddolph S, Takahashi M, Jasonni V. Ret protein in the human fetal rectum.  J Pediatric Surg. 1996;  31 568-571
• 36 Young H M, Hearn C J, Ciampoli D, Southwell B R, Brunet J F, Newgreen D F. A single rostrocaudal colonization of the rodent intestine by enteric neuron precursors is revealed by the expression of Phox2 b, Ret, and p 75 and by explant growth under the kidney capsule or in organ culture.  Dev Biol. 1998;  202 67-84