Injection of Progenitor Cells from Adipose and Muscle Tissue for Therapy of Urethral Sphincter Insufficiency in a Large Animal Model

Abstract

Urinary incontinence (UI) is a significant medical challenge affecting more than 200 million people worldwide. It will become even more significant due to the improved life expectancy in modern populations. Stress urinary incontinence (SUI) is the overall most common form of UI, defined as a “complaint of involuntary loss of urine on effort or physical exertion including sporting activities, or on sneezing or coughing”. The major problem with this condition is that the quality of life of those affected deteriorates. Current treatment options of conservative treatments or surgical procedures often fail to result in permanent healing because they do not address the underlying pathology of urethral sphincter deficiency. Therefore, cell therapy emerged as a new treatment option for SUI, with adipose-derived mesenchymal stromal cells (ADSCs) and myogenic progenitor cells (MPCs) being the most investigated cell types. In the first project, a novel cell injection technology, the waterjet technology, was investigated and compared to the state-of-art technology of needle injections. Two different experiments were conducted. Publication 1 analyzed the influence of the waterjet technique on several cell characteristics. It demonstrated that injection via waterjet did not affect the cells’ viability, surface markers, differentiation, and attachment capabilities. However, the biomechanical properties were significantly reduced after injection, possibly requiring further development. Publication 2 focused on injecting MPCs into the urethra of porcine cadaveric tissue and living healthy pigs. This study showed that viable MPCs were delivered more precisely, rapidly, and with a wider distribution by waterjet than needle injections. The second project focused on comparing well-characterized MPCs to ADSCs injected into a urethral sphincter insufficiency in large animal models. For this purpose, MPC isolation, production, and characterization were optimized in Publication 3. Furthermore, in Publication 4, the urethral sphincter insufficiency in the large animal model pig was validated over a follow-up period of five weeks in landrace pigs. The transfer of the incontinence induction via balloon dilatation and electrocautery to Göttingen minipigs failed due to their rapid recovery after incontinence induction. In Publication 5, the regeneration potential of the improved MPCs and ADSCs was investigated by needle injection into incontinent landrace pigs. After five weeks, MPCs improved the sphincter function, while ADSCs fully recovered the defect. Taken together, new data for the approval of the waterjet technology were provided and displayed its feasibility as an improved cell injection method. Furthermore, the promising therapeutical aspects of cell therapy were demonstrated, indicating its potential for the treatment of UI.

Harninkontinenz ist eine große medizinische Herausforderung, von der weltweit mehr als 200 Millionen Menschen betroffen sind. Aufgrund der gestiegenen Lebenserwartung der Bevölkerung wird sie sogar noch an Bedeutung gewinnen. Belastungsharninkontinenz (SUI) ist die insgesamt häufigste Form der Harninkontinenz und wird definiert als "Beschwerden über unfreiwilligen Urinverlust bei Anstrengung oder körperlicher Belastung, einschließlich sportlicher Aktivitäten, oder beim Niesen oder Husten". Das Hauptproblem bei dieser Erkrankung ist, dass sich die Lebensqualität der Betroffenen verschlechtert. Die derzeitigen konservativen oder chirurgischen Behandlungsmöglichkeiten führen häufig nicht zu einer dauerhaften Heilung, da sie die zugrunde liegende Pathologie der Harnröhrenschließmuskelschwäche nicht angehen. Daher hat sich die Zelltherapie als neue Behandlungsoption für SUI herauskristallisiert, wobei aus Fettgewebe stammende mesenchymale Stromazellen (ADSCs) und myogene Vorläuferzellen (MPCs) die am meisten untersuchten Zelltypen sind. Im ersten Projekt wurde eine neuartige Technologie zur Zellinjektion, die Wasserstrahl Technologie, untersucht und mit dem Stand der Technik, der Nadelinjektion, verglichen. Es wurden zwei verschiedene Studien durchgeführt. Publikation 1 analysierte den Einfluss der Wasserstrahltechnik auf verschiedene Zelleigenschaften. Es zeigte sich, dass die Injektion mit dem Wasserstrahl keinen Einfluss auf die Lebensfähigkeit, die Oberflächenmarker, die Differenzierung und die Anheftungsfähigkeit der Zellen hatte. Allerdings waren die biomechanischen Eigenschaften nach der Injektion deutlich reduziert, was möglicherweise eine weitere Entwicklung erfordert. Publikation 2 befasste sich mit der Injektion von MPCs in die Harnröhre von Schweinekadavern und lebenden gesunden Schweinen. Diese Studie zeigte, dass lebensfähige MPCs mit dem Wasserstrahl präziser, schneller und mit einer breiteren Verteilung als mit einer Nadelinjektion eingebracht werden konnten. Das zweite Projekt konzentrierte sich auf den Vergleich von gut charakterisierten MPCs mit ADSCs, die bei einer Harnröhrenschließmuskelinsuffizienz in Großtiermodellen injiziert wurden. Zu diesem Zweck wurden in Publikation 3 die Isolierung, Produktion und Charakterisierung von MPCs optimiert. Darüber hinaus wurde in Publikation 4 die Harnröhrenschließmuskelinsuffizienz im Großtiermodell Schwein über einen Nachbeobachtungszeitraum von fünf Wochen an Landschweinen validiert. Die Übertragung der Inkontinenzinduktion mittels Ballondilatation und Elektrokauterisation auf Göttinger Minischweine scheiterte an der schnellen Erholung dieser Tiere nach Inkontinenzinduktion. In Publikation 5 wurde das Regenerationspotenzial der verbesserten MPCs und ADSCs durch Nadelinjektion in inkontinente Landschweine untersucht. Nach fünf Wochen verbesserten die MPCs die Schließmuskelfunktion, während die ADSCs den Defekt vollständig wiederherstellten. Insgesamt wurden neue Daten für die Zulassung der Wasserstrahltechnik vorgelegt, die ihre Machbarkeit als verbesserte Zellinjektionsmethode belegen. Darüber hinaus wurden die vielversprechenden therapeutischen Aspekte der Zelltherapie aufgezeigt, die auf ihr Potenzial für die Behandlung von Harninkontinenz hinweisen.