La radiothérapie utilisée pour le traitement des tumeurs cancéreuses peut entraîner des lésions cutanées (radiodermites) difficiles à guérir. Il n'existe actuellement aucun traitement curatif pour la prise en charge de ces lésions extrêmement débilitantes pour les patients. Le but de mon projet de maîtrise est de mieux comprendre, grâce à un modèle préclinique, l'impact dose-dépendant des rayonnements ionisants sur la peau précocement et tardivement après la radiothérapie. Nous voulons également caractériser comment le processus de guérison de cette peau irradiée est affecté après la chirurgie et ainsi pouvoir évaluer quantitativement l'efficacité de nouveaux traitements potentiels. Nous avons mis au point des pansements biologiques composés de cellules souches extraites du tissu adipeux humain (ASC) qui sécrètent des niveaux élevés de facteurs pro-guérison. Ces tissus naturels sont produits sans biomatériaux en culture sans sérum, qui sont des caractéristiques appréciées au vu d'une application clinique. Ces pansements, appliqués aux lésions radiologiques, pourraient agir en synergie avec l'oxygénothérapie hyperbare (HBOT), dont les effets sur la guérison des plaies radiologiques sont présumés. Notre hypothèse est que dans notre modèle murin, nous pourrons recréer et caractériser les effets néfastes de l'irradiation afin d'évaluer le potentiel thérapeutique de l'application topique des pansements biologiques seule ou en combinaison avec la thérapie hyperbare. Les différentes doses d'irradiation ont entraîné des altérations cutanées modérées à graves de la peau et la cicatrisation est significativement retardée dans la peau irradiée. Nos données indiquent que l'application hebdomadaire des pansements biologiques et les sessions d'HBOT, seules ou combinées, favorisent significativement la vitesse de cicatrisation, la néoangiogenèse et réduisent significativement la fibrose cutanée de la peau irradiée. Ces travaux ont permis d'établir un modèle murin afin d'évaluer l'impact physiopathologique de l'irradiation et l'efficacité de ces traitements pour améliorer la guérison, accélérer le rétablissement et à terme redonner aux patients une meilleure qualité de vie. / Radiotherapy used to treat cancer tumors can produce skin lesions (radiodermatitis) that are difficult to heal. There is currently no curative treatment for the management of these lesions, which are extremely debilitating for patients. The goal of my master's project is to better understand, using a preclinical murine model, the dose dependent impact of ionizing radiation on the skin at early and late stages after radiotherapy. We also want to characterize how the healing process of this irradiated skin after surgery is affected and thus be able to quantitatively determine the efficacy of new treatments. We have developed biological dressings using human adipose-derived stem/stromal cells (ASCs) that secrete high levels of prohealing factors. These natural cell-based tissues are produced without exogenous biomaterials and feature an abundant human extracellular matrix. These living biological dressings, applied to radiological wounds, could work in synergy with hyperbaric oxygen therapy (HBOT), which is presumed to have benefits for radiological wound healing. Our hypothesis is that using our murine model, we will recreate and study the negative effects of irradiation in order to evaluate the therapeutic potential of topical application of biological dressings alone or in combination with hyperbaric therapy. The different doses of irradiation resulted in moderate to severe skin changes and healing was significantly delayed in the irradiated skin. Our data indicate that HBOT sessions combined with weekly application of the biological dressings significantly promoted the kinetics of healing, neoangiogenesis and significantly reduced fibrosis in the irradiated skin. This work validates the establishment of a preclinical model to evaluate the pathophysiological impact of irradiation and the effectiveness of these treatments in improving healing, accelerating recovery and ultimately giving patients a better quality of life.

Le traitement des maladies de la peau ainsi que des plaies étendues chroniques ou aiguës par thérapie cellulaire sont révolutionnaires. La préservation des cellules souches épithéliales dans les cultures de kératinocytes et lors de la production de substituts cutanés est cruciale au succès clinique de ces traitements. L'objectif général de ce projet de doctorat était d'approfondir les connaissances sur la préservation de ces cellules souches. D'abord, les travaux décrits dans cette thèse ont permis de mieux comprendre quels facteurs contribuent à l'établissement d'une niche et donc à la préservation des cellules souches épithéliales dans des substituts cutanés. Ceci a été accompli par une revue systématique des études cliniques décrivant la greffe de substituts cutanés bilamellaires sur des sujets humains au cours des dernières décennies. J'ai trouvé que, bien que plusieurs combinaisons de conditions de culture et de méthodes de production de substituts cutanés puissent mener à l'établissement d'une niche, deux facteurs semblent avoir plus d'importance. Mes résultats indiquent effectivement que l'utilisation d'une couche nourricière ainsi que de sérum - ou d'un remplacement de sérum, tel que de l'extrait de glande pituitaire bovine - dans le milieu de culture sont associés à une meilleure persistance de greffe à long terme. Par la suite, j'ai démontré que l'utilisation d'une couche nourricière d'origine humaine plutôt que murine permettait de maximiser le potentiel prolifératif et la clonogénicité de kératinocytes primaires humains en culture. Cette divergence pourrait s'expliquer par l'activation des voies signalétiques impliquant Akt, STAT5, p53 et AMPKα1. J'ai aussi investigué l'effet du type d'inducteur d'AMP cyclique sur les cultures de kératinocytes et étudié s'il était dépendant du type de couche nourricière employé. Bien que je n'aie pas détecté d'effet d'interaction entre ces facteurs, mes travaux ont cimenté l'isoprotérénol plutôt que la toxine du choléra comme inducteur d'AMP cyclique de choix pour les applications de recherche fondamentale au LOEX. Mes travaux ont ensuite mené à la mise au point d'un système de culture de kératinocytes et de production de substituts cutanés humains avec un milieu sans sérum. En effet, en l'absence d'un milieu sans sérum commercial capable de préserver efficacement les cellules souches épithéliales en culture, mon équipe et moi avons développé ab initio notre propre milieu de culture que nous avons appelé Surge SFM. Contrairement à la norme, ce milieu a été développé pour être utilisé conjointement à une couche nourricière humaine. J'ai démontré que Surge SFM peut être utilisé pour cultiver des kératinocytes fraîchement isolés ainsi que pour amplifier des kératinocytes ayant préalablement été cryopréservés après avoir été cultivés avec du sérum. De plus, mes résultats suggèrent qu'il y a très peu de différences au niveau transcriptomique entre des kératinocytes cultivés avec Surge SFM et le milieu conventionnel avec sérum. D'ailleurs, selon des analyses in silico, ces quelques différences pourraient s'expliquer par une modulation en amont de l'expression d'EHF, un facteur de transcription régulant plus de 400 gènes impliqués dans la différentiation des kératinocytes humains et la formation de l'épiderme. J'ai ensuite montré que ce milieu permet de préserver les populations de cellules souches épithéliales en culture par des essais de clonogénicité et de cytométrie en flux. Finalement, j'ai démontré que ce nouveau milieu chimiquement défini peut être utilisé pour la production de substituts cutanés par autoassemblage et que ces derniers persistent au moins jusqu'à 6 mois après leur greffe sur des souris athymiques, démontrant encore une fois que les cellules souches épithéliales peuvent être préservées avec ce nouveau milieu. Dans l'ensemble, les travaux de cette thèse ont permis de mieux comprendre les facteurs et les conditions favorables à la préservation des populations de cellules souches épithéliales dans les cultures de kératinocytes primaires humains. Ceci a mené au développement d'un nouveau milieu de culture sans sérum permettant la préservation des cellules souches épithéliales lors de la culture de kératinocytes en monocouche et lors de la production de substituts cutanés bilamellaires, ce qui représente une avancée importante dans le domaine du génie tissulaire cutané.

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Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Le domaine du génie tissulaire ouvre la voie à l'utilisation de nouvelles stratégies pour l'obtention de tissus de remplacement. Un soin particulier doit être porté lors de la production de ces substituts afin d'optimiser la quantité et la qualité des cellules prolifératrices présentes à l'intérieur de ces tissus. Nos analyses ont permis de déterminer que les caractéristiques du site de prélèvement cutané influençaient la quantité de cellules souches retrouvées in situ. De plus, nos expérimentations sur le modèle de peau reconstruite par auto-assemblage permet de préserver les cellules avec un cycle lent de division cellulaire, une caractéristique des cellules souches cutanées. Finalement, la cryopréservation, utilisée pour conserver les lignées de kératinocytes, n'influence pas la fonction des cellules souches épithéliales. Ces résultats suggèrent que les techniques utilisées pour la production de substituts cutanés sont optimales dans un contexte où la conservation des cellules souches est une nécessité.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Les cellules souches sont à la base de la régénération des tissus adultes et du maintien de leur homéostasie. Afin d'étudier le processus de différenciation des cellules souches cutanées et d'approfondir nos connaissances sur les conditions qui contrôlent leur différenciation en épiderme et/ou en follicules pileux in vitro différents substituts cutanés ont été mis au point par génie tissulaire. D'une part, la portion dermique des peaux reconstruites a été produite par la superposion de feuillets de matrice extracellulaire produits par des fibroblastes humains ou murins cultivés en présence d'acide ascorbique. D'autre part, des kératinocytes (humains ou murins) ou des follicules pileux immatures (murins) ont été implantés sur les dermes reconstruits. Les propriétés histologiques et immunohistochimiques des tissus ont été évaluées après leur maturation in vitro ou sur l'animal. Nos résultats ont révélé que les interactions mésenchyme-épithéliales créées dans la peau reconstruite par génie tissulaire influencent significativement la voie de différenciation qu'empruntent les kératinocytes engendrés par les cellules souches et qu' il est possible, en recréant les conditions adéquates, de reconstruire des substituts cutanées aux propriétés histologiques similaires à la peau native ainsi que des peaux reconstruites capables de soutenir la formation de follicules pileux après la greffe. Des études in situ ont également été menées sur les cellules souches de la vibrisse de la souris. Nous avons observé que les kératinocytes présentant un cycle cellulaire long forment deux populations distinctes dans la région du renflement: une est en contact avec la membrane basilaire et l'autre ne l'est pas (appelée Bs1). Chacune de ces populations possède un aspect histologique distinct et présente une organisation, du réseau de kératine qui lui est spécifique et qui est associée à l'expression de kératines particulières. L'étude des vibrisses des souris dont le gène de la kératine 17 (K 17) a été invalidé a révélé que la K 1 7 est essentielle à la formation des vibrisses et à l'intégrité ultrastructurale des cellules Bs 1. En conclusion, mes travaux apportent de nouvelles données sur les conditions qui régissent la différenciation des cellules souches cutanées et sur les caractéristiques intrinsèques des cellules souches de la vibrisse.

Au LOEX, un modèle de folliculogénèse a été caractérisé. Ce modèle consiste à incorporer des follicules pileux immatures de souris dans les peaux reconstruites par génie tissulaire. À l'aide des peaux reconstruites, nous avons comparé l'influence des cellules dermiques sur la différenciation des cellules souches des follicules pileux. La maturation in vitro des follicules pileux immatures sur les fibroblastes murins et humains a mené à l'apparition d'inclusions intradermiques. Cependant, les études de caractérisation ont révélé la présence de marqueurs de différenciation épidermique dans les kystes dérivants des follicules pileux immatures cultivés sur fibroblastes humains, contrairement à ceux cultivés sur fibroblastes murins. Ces derniers ont plutôt des caractéristiques histologiques qui ressemblent davantage aux cellules retrouvées au niveau de la gaine folliculaire externe du follicule pileux. Un dérèglement de la voie de signalisation Wnt pourrait expliquer ces phénomènes, puisque la p-caténine et le facteur Lef-l ne sont pas activés dans ces peaux reconstruites.