Feasibility of a tRNA-fragment regulated encapsulated cell therapy approach for epilepsy

Background: Recenti evidenze suggeriscono un ruolo per i frammenti di tRNA (tRF) nella patogenesi e nella diagnosi di disturbi neurologici come l'epilessia, refrattaria al trattamento medico in un terzo dei pazienti e sovente accompagnata da comorbilità neurologiche e psichiatriche. Scopi: Valutare la tollerabilità di un nuovo dispositivo impiantabile costituito da cellule incapsulate (ECB) atto a veicolare GDNF nel trattamento delle epilessie farmaco-resistenti e la fattibilità dell'utilizzo di frammenti specifici derivati da 5'tRNA (5'tRF) come molecole segnale per regolare la secrezione del fattore neurotrofico. Metodi: il progetto ha compreso tre fasi. Innanzitutto, abbiamo testato in modo approfondito la tollerabilità in vivo di un dispositivo a membrana semipermeabile impiantato negli ippocampi di ratti Sprague-Dawley naive. Le indagini comportamentali includevano open field, rotarod e object location task (OLT) per valutare la tollerabilità del dispositivo, l'impatto sulle competenze motorie e sulla funzionalità ippocampale. Sono seguite la valutazione della suscettibilità alle crisi indotte da pentilenetetrazolo (PTZ) e l'analisi istologica dei marcatori di gliosi. In secondo luogo, abbiamo delineato un metodo per la raccolta seriata di campioni di liquido cerebrospinale (CSF) e plasma da ratti epilettici impiantati con elettrodi per la registrazione di tracciato EEG. Abbiamo poi studiato tre 5'tRF (5'AlaTGC, 5'GluCTC e 5'GlyGCC) precedentemente identificati come predittori di crisi in pazienti epilettici. Abbiamo esplorato le loro variazioni in un modello murino di epilessia del lobo temporale (mTLE), sia nel CSF che nel plasma, e le possibili associazioni con l’attività ictale ed interictale. Risultati: il dispositivo è stato ben tollerato senza effetti significativi sulla funzione motoria o sulla gliosi. Tuttavia, gli animali impiantati hanno mostrato prestazioni ridotte nell’OLT, dato suggestivo di potenziale deterioramento della memoria; e una maggiore suscettibilità alle crisi epilettiche in seguito alla somministrazione di PTZ. L'analisi dei frammenti di tRNA non ha mostrato correlazioni tra i valori di 5'AlaTGC, 5'GluCTC e 5'GlyGCC nel plasma e nel CSF, così come variazioni in relazione a campionamenti a distanza, poco prima o subito dopo una crisi. L’abbondanza dei frammenti non ha mostrato correlazioni con la frequenza delle crisi spontanee, né associazione alla presenza di attività interictale. E’ stata tuttavia notata una tendenza all'aumento di tutti i 5'tRF negli animali epilettici a seguito di un evento critico. Conclusioni: l'impianto bilaterale di dispositivi ECB può essere ben tollerato in un modello murino di mTLE, ma il potenziale deterioramento della memoria e la maggiore suscettibilità alle crisi richiedono ulteriori indagini e ottimizzazioni. Per valutare l'applicabilità clinica dei frammenti di tRNA come biomarcatori dell'epilessia, sono necessarie ulteriori conferme in modelli animali. Studi futuri dovrebbero concentrarsi sul miglioramento della risoluzione temporale delle misurazioni di 5'tRF, sull'espansione delle dimensioni del campione e sull'esplorazione di una gamma più ampia di 5'tRF come potenziali biomarcatori nell'epilessia.

Background: Emerging evidence suggests a role for tRNA fragments (tRFs) in both the develop-ment and diagnosis of neurological disorders like epilepsy, which is refractory to medical treat-ment in a third of patients, often accompanied by underreported neurological and psychiatric comorbidities. Aims: We investigated the tolerability of a novel intracerebral device for encapsulated cell bio-delivery (ECB) of GDNF in refractory epilepsies’ treatment. We also evaluated the feasibility of using specific 5'tRNA-derived fragments (5'tRFs) as signal molecules to regulate neurotrophic factor secretion. Methods: This project encompassed three stages. First, we in depth tested the in-vivo tolerability of a semipermeable membrane device implanted in the hippocampi of naïve Sprague-Dawley rats. Behavioral investigations included open field, rotarod and object location task (OLT) to assess device tolerability and impact on motor and hippocampal specific function. Pentylenetetrazol (PTZ) -induced seizure susceptibility evaluation and histological analysis of gliosis markers fol-lowed. Second, we established a robust method for repeatedly collecting combined cerebrospinal fluid (CSF) and plasma samples from EEG-implanted epileptic rats. We further investigated three 5'tRFs (5'AlaTGC, 5'GluCTC, and 5'GlyGCC) previously identified as seizure predictors in epilep-tic humans. We explored their dynamics in CSF and plasma of a murine model of temporal lobe epilepsy (mTLE) and possible associations with ictal and interictal activity. Results: Device was well-tolerated with no significant effects on motor function or gliosis. How-ever, implanted animals displayed reduced performance in the OLT, suggesting potential memory impairment, and increased seizure susceptibility following PTZ administration. tRNA fragment analysis showed no correlations of 5'AlaTGC, 5'GluCTC and 5'GlyGCC values in plasma and CSF. No differences were observed in median 5’tRFs values in either CSF or plasma when comparing baseline, pre-seizure, and post-seizure samples. Fragments readings did not correlate with spon-taneous seizures frequency, nor were they associated with interictal activity presence. Neverthe-less, a tendency towards post-seizure increase for all 5’tRFs was noted in epileptic animals. Conclusions: Bilateral implantation of ECB devices may be well tolerated in a murine model of mTLE, but potential memory impairment and increased seizure susceptibility require further in-vestigation and optimization. To assess the clinical applicability of tRNA fragments as epilepsy biomarkers, further validation in animal models is necessary. Future studies should focus on en-hancing temporal resolution of 5'tRF measurements, expanding sample size, and exploring a broader range of 5'tRFs as potential biomarkers in epilepsy.