EXPERIMENTAL AND CLINICAL AIRWAY RESTORATION BY MESENCHYMAL STROMAL CELLS AUTOLOGOUS ENDOSCOPIC TRANSPLANTATION

Post resectional broncho-pleural fistula is a pathological connection between the airways and the pleural space that may develop after lung resection. It may be caused by incomplete bronchial closure, impediment of bronchial stump wound healing, or stump destruction by residual neoplastic tissue; its mortality ranges from 12.5 to 71.2%, therefore it is still the most feared complication after curative lung resection; for this reason the healing effects promoted by stem cells – by transformation into mature cells with a specialized function or by enhancing intrinsic repair mechanisms –may represent an effective and only partially explored therapeutic option . Mesenchymal stromal cells have the ability to migrate and engraft at sites of inflammation and injury in response to cytokines, chemokines, and growth factors at a wound site and they can exert local reparative effects through transdifferentiation into tissue-specific cell types or via the paracrine secretion of soluble factors with anti-inflammatory and wound-healing activities. We proposed, on an animal model, an autologous bone marrow derived mesenchymal stromal cells transplantation: it allowed bronchial stump healing by extraluminal fibroblast proliferation and collagenous matrix development. Encouraged by experimental bronchial wall restoration in large animals and by functional human organ replacement elsewhere, we undertook autologous bone marrow derived mesenchymal stromal cells bronchoscopic transplantation to treat a patient who developed broncho-pleural fistula. The bronchoscopic transplantation of bone marrow-derived mesenchymal stromal cells in our patient appeared to help close this small-caliber post resectional broncho-pleural fistula, further boosting regenerative medicine approach for airway diseases. Considering the need to specifically track mesenchymal stromal cells following transplantation in order to evaluate different method of implantation, to follow their migration within the body and to quantify their accumulation at the target, we proposed magnetic resonance imaging tracking both by superparamagnetic 6 iron oxide particles and perfluorocarbon nanoemulsion formulations , demonstrating that were both effective, without altering cell viability or differentiation. Finally we proposed adipose derived mesenchymal stromal cells bronchoscopic transplantation and intra venous injection of Granulocite Colony Stimulating Factors as a faster method and a new frontier in airway restoration.

La fistola bronco pleurica post chirurgica è una comunicazione patologica fra le vie aeree e lo spazio pleurico che puo’ verificarsi dopo resezione polmonare. Essa puo’ essere causata da chiusura bronchiale incompleta, da alterazioni della cicatrizzazione del moncone bronchiale o dalla distruzione del moncone da parte di tessuto neoplastico residuo. La sua mortalità varia dal 12.5 al 71.2%, rendendola ancora oggi la piu’ temuta complicanza dopo resezione polmonare; per tale ragione, l’effetto cicatriziale promosso dalle cellule staminali – tramite la trasformazione in cellule mature con una specifica funzione o tramite l’implementazione di meccanismi intrinseci di riparazione – potrebbe rappresentare una opzione terapeutica efficace e, ad oggi , solo parzialmente esplorata. Le cellule mesenchimali stromali hanno la capacità di migrare ed attecchire a siti di infiammazione e danno tissutale, in risposta a citochine, chemochine e fattori di crescita e possono esercitare un’azione riparativa locale attraverso un’azione di transdifferenziazione o attraverso un’azione di secrezione paracrina di fattori solubili con proprietà antiinfiammatori e procicatriziali. Noi abbiamo proposto, su di un modello animale , un trapianto autologo di cellule stromali mesenchimali di derivazione midollare: questo ha permesso una cicatrizzazione del moncone bronchiale grazie alla proliferazione di fibroblasti ed all’apposizione di matrice collagene. Incoraggiati dalla riparazione delle vie aeree sul modello di grande animale abbiamo utilizzato tale metodica per trattare un paziente che aveva sviluppato una fistola bronco pleurica. Il trapianto broncoscopico di cellule stromali mesenchimali midollari si è rivelato efficace – nel nostro caso clinico – nella chiusura di una piccola fistola post chirurgica, stimolando ulteriormente l’approccio di medicina rigenerativa anche per problemi di vie aeree. Considerando la necessità di marcare le cellule stromali mesenchimali dopo un trapianto cellulare, al fine di valutare differenti metodi di impianto, di seguire la loro migrazione nel corpo e di quantificare il loro accumulo al sito bersaglio, abbiamo proposto la risonanza magnetica nucleare come metodo per la marcatura cellulare, sia con mezzi di contrasto superparamagnetici che con formulazioni di nanoemulsioni con fluoro, osservando come entrambe si siano dimostrate efficaci, senza tuttavia alterare la biodisponibilità cellulare o la loro differenziazione. Infine, abbiamo proposto l’impiego di cellule stromali mesenchimali insieme alla somministrazione di G-CSF come metodo piu’ rapido e nuova frontiera nella riparazione delle vie aeree.