La cécité d’origine cornéenne est Ia deuxième cause de cécité dans le monde. Son traitement de choix est la kératoplastie. ll est aujourd’hui nécessaire de réfléchir à de nouvelles solutions pour remplacer la kératoplastie dans sa forme actuelle qui bien que satisfaisante, n’est pas totalement parfaite. En effet, les techniques actuelles de kératoplastie utilisent une allogreffe. Le greffon va subir chez le donneur une diminution de la densité des cellules endothéliales (CE) du greffon au fil du temps. Ce travail présente successivement les solutions abordées par le BiiGC pour produire des CE en masse ainsi que les différents supports en vue d’une kératoplastie lamellaire postérieure. Les solutions envisagées par le laboratoire BiiGC doivent permettre un transfert à l’être humain dans des conditions de sécurité et d’acceptabilité maximales. Les différents contrôles de l’identité des cellules obtenues et les contrôles de sécurité nécessitent une connaissance robuste de la biologie, du morphotype et du phénotype des CE cornéennes. Cette thèse présente les différentes exigences réglementaires et de qualité nécessaires à l’obtention de greffons cornéens bioengineerés. Le choix du BiiGC devant se conformer d’emblée à ces exigences en vue d’un transfert à l’être humain. Dans une première partie, nous présentons une revue de la littérature sur le bioengineering de greffons cornéens. La production de CE et de stroma seront ensuite exposés avec les différentes approches abordées par le BiiGC. Enfin, les différentes techniques de validation morphologiques et fonctionnelles de greffons obtenus seront présentées. / Corneal diseases are the first leading cause of blindness worldwide. Its treatment relies on keratoplasty which in its actual form is a satisfying but not a perfect solution. We have to think about new solutions for corneal graft. Today, corneal graft is often an allograft. With this technique, there is a loss of endothelial cell (EC) density through time. This work presents the solutions which BiiGC laboratory is working on for mass production of EC and different carriers for these cells for posterior keratoplasty. These solutions must be possible on human being with safety conditions. Controls of identity, of obtained cells and security controls need a strong knowledge of biology, morphology and phenotype of EC. This work presents the legal conditions of quality needed to obtain bioengineered corneal grafts. The choice of BiiGC laboratory must involve these conditions for a transfer to human being. In a first part, we present a review of the literature about corneal bioengineering. Production of EC and of corneal stroma are discussed with different approaches by BiiGC laboratory. In the end, the different techniques of morphological controls of corneal grafts are discussed.

Yes / Background and Objective Corneal endothelial cell abnormalities may be associated with a number of corneal and systemic diseases. Damage to the endothelial cells can significantly affect corneal transparency by altering hydration of the corneal stroma, which can lead to irreversible endothelial cell pathology requiring corneal transplantation. To date, quantitative analysis of endothelial cell abnormalities has been manually performed by ophthalmologists using time consuming and highly subjective semi-automatic tools, which require an operator interaction. We developed and applied a fully-automated and real-time system, termed the Corneal Endothelium Analysis System (CEAS) for the segmentation and computation of endothelial cells in images of the human cornea obtained by in vivo corneal confocal microscopy. Methods First, a Fast Fourier Transform (FFT) Band-pass filter is applied to reduce noise and enhance the image quality to make the cells more visible. Secondly, endothelial cell boundaries are detected using watershed transformations and Voronoi tessellations to accurately quantify the morphological parameters of the human corneal endothelial cells. The performance of the automated segmentation system was tested against manually traced ground-truth images based on a database consisting of 40 corneal confocal endothelial cell images in terms of segmentation accuracy and obtained clinical features. In addition, the robustness and efficiency of the proposed CEAS system were compared with manually obtained cell densities using a separate database of 40 images from controls (n = 11), obese subjects (n = 16) and patients with diabetes (n = 13). Results The Pearson correlation coefficient between automated and manual endothelial cell densities is 0.9 (p < 0.0001) and a Bland–Altman plot shows that 95% of the data are between the 2SD agreement lines. Conclusions We demonstrate the effectiveness and robustness of the CEAS system, and the possibility of utilizing it in a real world clinical setting to enable rapid diagnosis and for patient follow-up, with an execution time of only 6 seconds per image.

Yes / Endothelial dysfunction and damage underlie cerebrovascular disease and ischemic stroke. We undertook corneal confocal microscopy (CCM) to quantify corneal endothelial cell and nerve morphology in 146 patients with an acute ischemic stroke and 18 age-matched healthy control participants. Corneal endothelial cell density was lower (P<0.001) and endothelial cell area (P<0.001) and perimeter (P<0.001) were higher, whilst corneal nerve fbre density (P<0.001), corneal nerve branch density (P<0.001) and corneal nerve fbre length (P=0.001) were lower in patients with acute ischemic stroke compared to controls. Corneal endothelial cell density, cell area and cell perimeter correlated with corneal nerve fber density (P=0.033, P=0.014, P=0.011) and length (P=0.017, P=0.013, P=0.008), respectively. Multiple linear regression analysis showed a signifcant independent association between corneal endothelial cell density, area and perimeter with acute ischemic stroke and triglycerides. CCM is a rapid non-invasive ophthalmic imaging technique, which could be used to identify patients at risk of acute ischemic stroke. / Qatar National Research Fund Grant BMRP20038654

Yes / The quantification of corneal endothelial cell (CEC) morphology using manual and semi-automatic software enables an objective assessment of corneal endothelial pathology. However, the procedure is tedious, subjective, and not widely applied in clinical practice. We have developed the CellsDeepNet system to automatically segment and analyse the CEC morphology. The CellsDeepNet system uses Contrast-Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE) to improve the contrast of the CEC images and reduce the effects of non-uniform image illumination, 2D Double-Density Dual-Tree Complex Wavelet Transform (2DDD-TCWT) to reduce noise, Butterworth Bandpass filter to enhance the CEC edges, and moving average filter to adjust for brightness level. An improved version of U-Net was used to detect the boundaries of the CECs, regardless of the CEC size. CEC morphology was measured as mean cell density (MCD, cell/mm2), mean cell area (MCA, µm2), mean cell perimeter (MCP, µm), polymegathism (coefficient of CEC size variation), and pleomorphism (percentage of hexagonality coefficient). The CellsDeepNet system correlated highly significantly with the manual estimations for MCD (r = 0.94), MCA (r = 0.99), MCP (r = 0.99), polymegathism (r = 0.92), and pleomorphism (r = 0.86), with p

La dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD, pour l’abréviation du terme anglais « Fuchs endothelial corneal dystrophy ») est une maladie de l'endothélium cornéen. Sa pathogenèse est mal connue. Aucun traitement médical n’est efficace. Le seul traitement existant est chirurgical et consiste dans le remplacement de l’endothélium pathologique par un endothélium sain provenant de cornées de la Banque des yeux. Le traitement chirurgical, en revanche, comporte 10% de rejet immunologique. Des modèles expérimentaux sont donc nécessaires afin de mieux comprendre cette maladie ainsi que pour le développement de traitements alternatifs. Le but général de cette thèse est de développer un modèle expérimental de la FECD en utilisant le génie tissulaire. Ceci a été réalisé en trois étapes. 1) Tout d'abord, l'endothélium cornéen a été reconstruit par génie tissulaire en utilisant des cellules endothéliales en culture, provenant de patients atteints de FECD. Ce modèle a ensuite été caractérisé in vitro. Brièvement, les cellules endothéliales cornéennes FECD ont été isolées à partir de membranes de Descemet prélevées lors de greffes de cornée. Les cellules au deuxième ou troisième passages ont ensuite été ensemencées sur une cornée humaine préalablement décellularisée. Suivant 2 semaines de culture, les endothélia cornéens reconstruits FECD (n = 6) ont été évalués à l'aide d'histologie, de microscopie électronique à transmission et d’immunomarquages de différentes protéines. Les endothélia cornéens reconstruits FECD ont formé une monocouche de cellules polygonales bien adhérées à la membrane de Descemet. Les immunomarquages ont démontré la présence des protéines importantes pour la fonctionnalité de l’endothélium cornéen telles que Na+-K+/ATPase α1 et Na+/HCO3-, ainsi qu’une expression faible et uniforme de la protéine clusterine. 2) Deux techniques chirurgicales (DSAEK ; pour « Descemet stripping automated endothelial keratoplasty » et la kératoplastie pénétrante) ont été comparées pour la transplantation cornéenne dans le modèle animal félin. Les paramètres comparés incluaient les défis chirurgicaux et les résultats cliniques. La technique « DSAEK » a été difficile à effectuer dans le modèle félin. Une formation rapide de fibrine a été observée dans tous les cas DSAEK (n = 5). 3) Finalement, la fonctionnalité in vivo des endothélia cornéens reconstruits FECD a été évaluée (n = 7). Les évaluations in vivo comprenaient la transparence, la pachymétrie et la tomographie par cohérence optique. Les évaluations post-mortem incluaient la morphométrie des cellules endothéliales, la microscopie électronique à transmission et des immunomarquage de protéines liées à la fonctionnalité. Après la transplantation, la pachymétrie a progressivement diminué et la transparence a progressivement augmenté. Sept jours après la transplantation, 6 des 7 greffes étaient claires. La microscopie électronique à transmission a montré la présence de matériel fibrillaire sous-endothélial dans toutes les greffes d’endothelia reconstruits FECD. Les endothélia reconstruits exprimaient aussi des protéines Na+-K+/ATPase et Na+/HCO3-. En résumé, cette thèse démontre que les cellules endothéliales de la cornée à un stade avancé FECD peuvent être utilisées pour reconstruire un endothélium cornéen par génie tissulaire. La kératoplastie pénétrante a été démontrée comme étant la procédure la plus appropriée pour transplanter ces tissus reconstruits dans l’œil du modèle animal félin. La restauration de l'épaisseur cornéenne et de la transparence démontrent que les greffons reconstruits FECD sont fonctionnels in vivo. Ces nouveaux modèles FECD démontrent une réhabilitation des cellules FECD, permettant d’utiliser le génie tissulaire pour reconstruire des endothelia fonctionnels à partir de cellules dystrophiques. Les applications potentielles sont nombreuses, y compris des études physiopathologiques et pharmacologiques. / Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is a primary disease of the corneal endothelium. Its pathogenesis is poorly understood. No medical treatment is effective. Surgical treatment (the only available treatment) carries 10% of immunogenic rejection. Experimental models are needed in order to better understand the disease and to investigate potential autologous treatments (to prevent immunogenic rejection). The overall goal of this thesis is to develop an experimental model for FECD using tissue engineering. This was achieved in three steps. 1) An in vitro tissue-engineered FECD model was created and characterized. Briefly, Descemet’s membranes from patients with late-stage FECD undergoing Descemet’s Stripping Automated Endothelial Keratoplasty (DSAEK) were used to isolate and culture FECD endothelial cells. Second or third-passaged FECD endothelial cells were seeded on a previously decellularized human cornea. After 2 weeks in culture, TE-FECD corneas (n=6) were assessed using histology, transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence labeling of various proteins. TE-FECD endothelium yielded a monolayer of polygonal cells well adhered to Descemet’s membrane. The TE-FECD corneal endothelium expressed the function-related proteins Na+-K+/ATPase α1 and Na+/HCO3-. Clusterin expression was faint and uniform. 2) In order to determine the best surgical procedure to transplant the TE-FECD corneas in the feline model, a DSAEK procedure was evaluated and compared to penetrating keratoplasty technique. DSAEK assessments included surgical challenges and clinical outcomes. DSAEK technique was challenging to perform in the feline model. Rapid fibrin formation was observed in all DSAEK cases (n=5). 3) The in vivo functionality of the TE-FECD corneas was assessed. TE-FECD corneas were grafted in the feline model (n=7) using penetrating keratoplasty procedure and observed for seven days. In vivo assessments included transparency, pachymetry, optical coherence tomography, endothelial cell morphometry, TEM and immunostaining of function-related proteins. After transplantation, pachymetry gradually decreased and transparency gradually increased. Seven days after transplantation, 6 out of 7 grafts were clear. Post-mortem TEM showed subendothelial loose fibrillar material deposition in all TE-FECD grafts. The TE grafted endothelium expressed Na+-K+/ATPase and Na+/HCO3-. This thesis demonstrates that endothelial cells from late-stage FECD corneas can be used to engineer a corneal endothelium. Compared to DSEAK, penetrating keratoplasty is a more appropriate procedure for corneal transplantation in the feline model, since the DSAEK procedure in the feline model presently yields inconsistent clinical results. Restoration of corneal thickness and transparency demonstrates that the TE-FECD grafts are functional in vivo. This novel FECD living model suggests a potential role of tissue engineering for FECD cell rehabilitation. Potential applications are numerous, including pathophysiological and pharmacological studies.

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées. / Introduction : Despite their growth arrest in vivo, corneal endothelial cells (CEC) can be amplified in vitro. Their subsequent transplantation by cell-injection therapy could overcome the tissue scarcity associated with traditional allo-transplantation, which is the only currently available treatment for irreversible corneal endothelial failure. Objective : To evaluate the functionality of a corneal endothelium reconstituted by cell- injection therapy in the feline. Methods: The right eyes of 16 animals underwent surgery. Eight underwent central endothelial scraping and injection with 2x10e5 (n=4) or 1x10e6 (n=4) feline CEC supplemented with Y-27632 and labeled with SP-DiOC18(3). After total scraping, two eyes were injected with 1x10e6 labeled CEC and Y-27632. The central (n=3) or entire (n=3) endothelium was scraped in six controls followed by Y-27632 injection without CEC. Outcomes included clinical performance, anatomical integrity, functional phenotype and SP-DiOC18(3) expression of the new endothelium. Results: Corneas grafted with 2x10e5 CEC and centrally scraped controls performed the best clinically. Entirely scraped controls remained hazy and thick. Histopathology revealed a confluent, functional endothelial monolayer in corneas grafted with 2x10e5 CEC and centrally scraped controls, a non-uniform, non-functional endothelial multilayer in centrally scraped corneas grafted with 1x10e6 CEC, and a non-functional fibrotic endothelium in entirely scraped grafts and controls. SP-DiOC18(3) was scarce in grafts and absent in controls. Conclusion : Cell-injection therapy reconstituted an incompletely functional endothelium, to which injected CEC contributed little. Y-27632 injection without CEC reconstituted the healthiest endothelium. Further studies investigating the therapeutic effect of Y-27632 alone are warranted.

Le contrôle de la transparence de la cornée dépend de l'intégrité de l'endothélium cornéen mono-stratifié qui est classiquement considéré dès la naissance, dépourvu de capacité de régénération chez l’homme. Dans des conditions pathologiques conduisant à la cécité par œdème cornéen, les pertes significatives en cellules endothéliales (CE) ne sont pas remplacée efficacement, ce qui signifie que ni de nouvelles CE provenant de cellules souches (CS), ni la division des cellules voisines des lésions ne peuvent contribuer à la régénération endothéliale. Toutefois, plusieurs travaux ont prouvé depuis 25 ans que les CE possédaient une capacité proliférative résiduelle ex vivo et deux équipes ont suggéré l’existence de CS ou de progéniteurs à la périphérie de l’endothélium cornéen. Dans notre travail de thèse, nous avons tout d'abord optimisé, en la systématisant, une technique d’immunomarquage spécialement adaptée à l'endothélium cornéen intact de cornées montées à plat. A l’issue de ces développements, nous disposons de protocoles simples de fixation à température optimale et de démasquages antigéniques susceptibles de permettre la révélation de nombreuses protéines. A partir d’une importante série de cornées humaines non conservées et d’autres conservées en organoculture, et grâce à cet outil désormais efficace, nous avons étudié le cycle cellulaire des CE et la localisation de potentielles CS sur l’endothélium cornéen humaine. Nos résultats démontrent que dans ces conditions, les CE expriment de façon homogène des régulateurs positifs (PCNA, MCM2, cycline D1, cycline E et cycline A) et des régulateurs négatifs du cycle cellulaire (P16, P27); certaines particularités ont par ailleurs pu être décrites de façon innovante, comme la localisation cytoplasmique diffuse de MCM2, paranucléaire de la cycline D1, l’absence de P21. L’ensemble des marquages pourrait suggérer que les CE sont arrêtées en fin de G1, après le point de restriction et que de nombreux mécanismes de réparation de l’ADN sont mis en jeux dans les CE exposées à un stress oxydant important tout au long de l’existence. Nous avons identifié une nouvelle organisation de la micro-anatomie de la périphérie et de l'extrême périphérie de l’endothélium où des cellules regroupées en multiples clusters pluristratifiés semblent alimenter des colonnes de CE radiaires longues d'un millimètre. Ces éléments, associés à l’observation d'une moindre différenciation et d’une compétence proliférative plus élevés en périphérie suggèrent un nouveau modèle d’homéostasie endothéliale humaine in vivo: toute la vie, des CS périphériques alimentent de façon très lente la périphérie cornéenne en CE qui migrent de façon centripète pour assurer la stabilité du centre cornéen dont les propriétés optiques primordiales sont sous-tendues par un endothélium qui ne perd que 0,6% de CE par an. A la différence de l’épithélium cornéen, ce système ne peut être accéléré lors de circonstances pathologiques. Les perspectives de nos travaux sont désormais d’essayer d’isoler de l’extrême périphérie les CS endothéliales ou les progéniteurs et de les cultiver en recréant un microenvironnement favorable. La possibilité de produire un grand nombre de CE in vitre non pas à partir de CE sénescentes prélevées sur la totalité de l’endothélium comme cela a été tenté par la passé, mais cette fois à partir de CS ou des progéniteurs ouvriraient la voie d'une véritable thérapie cellulaire endothéliale. L'enrichissement des greffons pendant la durée de leur conservation à la banque de cornée pourrait constituer une première étape majeure avant d’envisager créer de novo un endothélium sur un support greffable pour une greffe endothéliale du 3e type qui deviendrait ainsi enfin indépendante des aléas de la découpe du greffon. Enfin, l’ïdentification de la CS endothéliale et de son microenvironnement permettra aussi d'envisager une thérapie cellulaire in vivo pour traiter les stades précoces des pathologies endothéliales cornéennes / The control of corneal transparency depends on the integrity of the mono-stratified corneal endothelium, which is considered devoid of regenerative capacity after birth in humans. In pathological conditions leading to blindness by irreversible corneal edema, the significant losses of endothelial cells (ECs) are not replaced efficiently, indicating that neither new ECs derived from stem cells (SC) nor the division of ECs neighboring the lesions can contribute to a form of regeneration. However, several works of the last 25 years demonstrated that ECs possess residual capacity of proliferation ex vivo, and more recently, two teams suggested the existence of SC or endothelial progenitors located in the corneal periphery. In this thesis work, we have firstly optimized an immunostaining technique specially adapted to intact endothelium of flat mounted whole corneas. Consequently, we now have simple protocols of fixation at the right temperature, and of antigen retrieval that allow detecting multiple proteins with a clear subcellular localization. Using important series of non-stored and of organ cultured corneas, and thanks to this technique, we investigated the cell cycle status of ECs and the location of potential SC in human corneal endothelium. Our results indicate that ECs homogeneously express positive regulators (PCNA, MCM2, cyclin D1, cyclin E and cyclin A) as well as negative regulators of the cell cycle (P16, P27); several original descriptions have been made: diffuse cytoplasmic location of MCM2, paranuclear location of cyclin D1, absence of P21. The expression patterns suggest that ECS could be arrested after the restriction point of the G1 phase and that numerous mechanism of DNA repair are stimulated in ECs exposed to an important oxidative stress throughout live. We identified a novel organization of the micro-anatomy of the endothelial periphery and extreme-periphery, where cells accumulate in multiple small multilayered clusters connected radial centripetal cell rows of nearly 1 mm of length. Associated with the observation of a lesser differentiation and an increased proliferation capacity in this area, these elements suggest a novel model of endothelial homeostasis in humans: during life, SC continuously and extremely slowly sustain the endothelial periphery with new ECs that migrate toward centre forming cells rows. These cells ensure the stability of the center, which optical fundamental properties require a perfect stability, as indicated by an annual cell loss of only 0.6%. Contrary to the corneal epithelium, this system is incapable of accelerations in case of important cell loss. Further studies are necessary to understand this limitation. Our works offer several perspectives: the next step is to isolate the SC or the progenitors from the extreme periphery and to cultivate them in an adapted microenvironment. The possibility to cultivate endothelial cells directly from SC or progenitors and not, as previously tried in the past, from senescent EC from the whole endothelium open the way of a true endothelial cell therapy. The increase of endothelial cell density during corneal storage by eye banks could be a first step before developing bioengineered endothelium on a specific carrier that could be implanted in the recipient eye. Finally, the identification of SC and of its microenvironment would allow developing the basis of an in vivo cell therapy able to treat early stages of endothelial dysfunctions

La dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD, pour l’abréviation du terme anglais « Fuchs endothelial corneal dystrophy ») est une maladie de l'endothélium cornéen. Sa pathogenèse est mal connue. Aucun traitement médical n’est efficace. Le seul traitement existant est chirurgical et consiste dans le remplacement de l’endothélium pathologique par un endothélium sain provenant de cornées de la Banque des yeux. Le traitement chirurgical, en revanche, comporte 10% de rejet immunologique. Des modèles expérimentaux sont donc nécessaires afin de mieux comprendre cette maladie ainsi que pour le développement de traitements alternatifs. Le but général de cette thèse est de développer un modèle expérimental de la FECD en utilisant le génie tissulaire. Ceci a été réalisé en trois étapes. 1) Tout d'abord, l'endothélium cornéen a été reconstruit par génie tissulaire en utilisant des cellules endothéliales en culture, provenant de patients atteints de FECD. Ce modèle a ensuite été caractérisé in vitro. Brièvement, les cellules endothéliales cornéennes FECD ont été isolées à partir de membranes de Descemet prélevées lors de greffes de cornée. Les cellules au deuxième ou troisième passages ont ensuite été ensemencées sur une cornée humaine préalablement décellularisée. Suivant 2 semaines de culture, les endothélia cornéens reconstruits FECD (n = 6) ont été évalués à l'aide d'histologie, de microscopie électronique à transmission et d’immunomarquages de différentes protéines. Les endothélia cornéens reconstruits FECD ont formé une monocouche de cellules polygonales bien adhérées à la membrane de Descemet. Les immunomarquages ont démontré la présence des protéines importantes pour la fonctionnalité de l’endothélium cornéen telles que Na+-K+/ATPase α1 et Na+/HCO3-, ainsi qu’une expression faible et uniforme de la protéine clusterine. 2) Deux techniques chirurgicales (DSAEK ; pour « Descemet stripping automated endothelial keratoplasty » et la kératoplastie pénétrante) ont été comparées pour la transplantation cornéenne dans le modèle animal félin. Les paramètres comparés incluaient les défis chirurgicaux et les résultats cliniques. La technique « DSAEK » a été difficile à effectuer dans le modèle félin. Une formation rapide de fibrine a été observée dans tous les cas DSAEK (n = 5). 3) Finalement, la fonctionnalité in vivo des endothélia cornéens reconstruits FECD a été évaluée (n = 7). Les évaluations in vivo comprenaient la transparence, la pachymétrie et la tomographie par cohérence optique. Les évaluations post-mortem incluaient la morphométrie des cellules endothéliales, la microscopie électronique à transmission et des immunomarquage de protéines liées à la fonctionnalité. Après la transplantation, la pachymétrie a progressivement diminué et la transparence a progressivement augmenté. Sept jours après la transplantation, 6 des 7 greffes étaient claires. La microscopie électronique à transmission a montré la présence de matériel fibrillaire sous-endothélial dans toutes les greffes d’endothelia reconstruits FECD. Les endothélia reconstruits exprimaient aussi des protéines Na+-K+/ATPase et Na+/HCO3-. En résumé, cette thèse démontre que les cellules endothéliales de la cornée à un stade avancé FECD peuvent être utilisées pour reconstruire un endothélium cornéen par génie tissulaire. La kératoplastie pénétrante a été démontrée comme étant la procédure la plus appropriée pour transplanter ces tissus reconstruits dans l’œil du modèle animal félin. La restauration de l'épaisseur cornéenne et de la transparence démontrent que les greffons reconstruits FECD sont fonctionnels in vivo. Ces nouveaux modèles FECD démontrent une réhabilitation des cellules FECD, permettant d’utiliser le génie tissulaire pour reconstruire des endothelia fonctionnels à partir de cellules dystrophiques. Les applications potentielles sont nombreuses, y compris des études physiopathologiques et pharmacologiques. / Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is a primary disease of the corneal endothelium. Its pathogenesis is poorly understood. No medical treatment is effective. Surgical treatment (the only available treatment) carries 10% of immunogenic rejection. Experimental models are needed in order to better understand the disease and to investigate potential autologous treatments (to prevent immunogenic rejection). The overall goal of this thesis is to develop an experimental model for FECD using tissue engineering. This was achieved in three steps. 1) An in vitro tissue-engineered FECD model was created and characterized. Briefly, Descemet’s membranes from patients with late-stage FECD undergoing Descemet’s Stripping Automated Endothelial Keratoplasty (DSAEK) were used to isolate and culture FECD endothelial cells. Second or third-passaged FECD endothelial cells were seeded on a previously decellularized human cornea. After 2 weeks in culture, TE-FECD corneas (n=6) were assessed using histology, transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence labeling of various proteins. TE-FECD endothelium yielded a monolayer of polygonal cells well adhered to Descemet’s membrane. The TE-FECD corneal endothelium expressed the function-related proteins Na+-K+/ATPase α1 and Na+/HCO3-. Clusterin expression was faint and uniform. 2) In order to determine the best surgical procedure to transplant the TE-FECD corneas in the feline model, a DSAEK procedure was evaluated and compared to penetrating keratoplasty technique. DSAEK assessments included surgical challenges and clinical outcomes. DSAEK technique was challenging to perform in the feline model. Rapid fibrin formation was observed in all DSAEK cases (n=5). 3) The in vivo functionality of the TE-FECD corneas was assessed. TE-FECD corneas were grafted in the feline model (n=7) using penetrating keratoplasty procedure and observed for seven days. In vivo assessments included transparency, pachymetry, optical coherence tomography, endothelial cell morphometry, TEM and immunostaining of function-related proteins. After transplantation, pachymetry gradually decreased and transparency gradually increased. Seven days after transplantation, 6 out of 7 grafts were clear. Post-mortem TEM showed subendothelial loose fibrillar material deposition in all TE-FECD grafts. The TE grafted endothelium expressed Na+-K+/ATPase and Na+/HCO3-. This thesis demonstrates that endothelial cells from late-stage FECD corneas can be used to engineer a corneal endothelium. Compared to DSEAK, penetrating keratoplasty is a more appropriate procedure for corneal transplantation in the feline model, since the DSAEK procedure in the feline model presently yields inconsistent clinical results. Restoration of corneal thickness and transparency demonstrates that the TE-FECD grafts are functional in vivo. This novel FECD living model suggests a potential role of tissue engineering for FECD cell rehabilitation. Potential applications are numerous, including pathophysiological and pharmacological studies.

Diabetic Peripheral Neuropathy (DPN) is one of the most common types of diabetes that can affect the cornea. An accurate analysis of the corneal epithelium nerve structures and the corneal endothelial cell can assist early diagnosis of this disease and other corneal diseases, which can lead to visual impairment and then to blindness. In this thesis, fully-automated segmentation and quantification algorithms for processing and analysing sub-basal epithelium nerves and endothelial cells are proposed for early diagnosis of diabetic neuropathy in Corneal Confocal Microscopy (CCM) images. Firstly, a fully automatic nerve segmentation system for corneal confocal microscope images is proposed. The performance of the proposed system is evaluated against manually traced images with an execution time of the prototype is 13 seconds. Secondly, an automatic corneal nerve registration system is proposed. The main aim of this system is to produce a new informative corneal image that contains structural and functional information. Thirdly, an automated real-time system, termed the Corneal Endothelium Analysis System (CEAS) is developed and applied for the segmentation of endothelial cells in images of human cornea obtained by In Vivo CCM. The performance of the proposed CEAS system was tested against manually traced images with an execution time of only 6 seconds per image. Finally, the results obtained from all the proposed approaches have been evaluated and validated by an expert advisory board from two institutes, they are the Division of Medicine, Weill Cornell Medicine-Qatar, Doha, Qatar and the Manchester Royal Eye Hospital, Centre for Endocrinology and Diabetes, UK.

Humane corneale Endothelzellen (HCEC) bilden einen Monolayer aus differenzierten Zellen an der posterioren Oberfläche der Cornea und sind essenziell für den Erhalt der cornealen Transparenz. HCEC zeigen nahezu keine proliferative Aktivität in vivo und nur eine begrenzte Proliferationsfähigkeit in vitro. Bei übermäßigem Zellverlust aufgrund von Traumata, Erkrankungen oder des Alters kann die Transparenz der Cornea irreversibel beeinträchtigt werden und die Transplantation einer Spenderhornhaut erforderlich sein, um die Hornhauttransparenz und damit die Sehfähigkeit wiederherzustellen. Dabei ist die weltweite Begrenzung der medizinischen Versorgung mit hochwertigen Spenderhornhäuten das derzeit größte Problem für die Therapie von Cornea-assoziierten Erkrankungen. Zellersatzstrategien mit in vitro kultivierten, quantitativ und qualitativ ausreichenden Spenderzellen sollen die weitestgehend ausgereizten logistischen Ansätze zur Verringerung des Spendermangels ergänzen. Die Entwicklung einer abschaltbaren bzw. transienten Methode zur in vitro- und in situ-Vervielfältigung primärer HCEC ohne Verlust ihrer typischen morphologischen Merkmale würde die Herstellung sowie eine detaillierte und umfassende Charakterisierung von Transplantaten aus primären HCEC ermöglichen. In dieser Arbeit sollten daher zunächst verschiedene proliferationsfördernde Faktoren (PF) identifiziert werden, die nach stabilem retroviralen Gentransfer mit Integrations-kompetenten lentiviralen Vektoren (ICLV) in primären HCEC ein starkes proliferationsförderndes Signal provozieren, das eine Immortalisierung der Zellen zur Folge hat. Dabei sollte die Pseudotypisierung der ICLV-Partikel mit alternativen viralen Glykoproteinen zytopathische Effekte verringern und die Transduktionseffizienz steigern. Nachfolgend sollten die identifizierten PF auf ihre Fähigkeit, die Proliferation primärer HCEC transient zu stimulieren, ohne die Zellen dabei zu transformieren, getestet werden. Mit Hilfe verschiedener retroviraler Expressionssysteme sollte ein klinisch anwendbares System entwickelt werden, das eine kontrollierte, zeitlich begrenzte Stimulierung der Proliferation bei gleichzeitiger Unterdrückung eines tumorartigen Zellwachstums ermöglichte. Hierzu dienten 1) Integrase-defiziente lentivirale Vektoren (IDLV), die eine transiente Transgenexpression durch direkte Transkription des episomalen DNA-Vektorgenoms erlauben, und 2) das transiente Foamyvirus-Vektorsystem (TraFo-VS), dass auf der Enkapsidierung und dem Transfer nicht-viraler mRNA in permissiven Zielzellen basiert. Es konnte gezeigt werden, dass ICLV-Pseudotypen, die entweder eine SFVmcy-Glykoproteinvariante (ICLVSFV) oder das VSV-G-Protein enthielten (ICLVVSV), eine signifikante Transduktionseffizienz aufwiesen und dabei keine zytopathischen Effekte in den Zielzellen auslösten, weshalb beide Glykoproteine für weiterführende Experiment genutzt wurden. Unter Verwendung des optimierten ICLV-Systems konnten drei PF identifiziert werden, die eine reproduzierbare Immortalisierung primärer HCEC infolge stabiler Expression durch Transduktion mit den ICLV-Pseudotypen ermöglichten. Dazu zählten der Cyclin D1/CDK4-Proteinkomplex (4D), die SV40 T-Antigene (SV40T) sowie die transformierenden Proteine E6 und E7 (E6/E7) des HPV-16. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Proliferation transduzierter primärer HCEC nach stabiler Transduktion mit PF-codierenden ICLV-Partikeln in einer dosisabhängigen Weise signifikant erhöht werden konnte. Untersuchungen mit IDLV-Varianten haben jedoch gezeigt, dass transduzierte HCEC ein vergleichbares proliferatives Verhalten wie ihre stabil transduzierten Äquivalente aufwiesen. Dies demonstrierte die restliche, geringgradige, nicht-kanonische Integrationskapazität von IDLV-Partikeln besonders im Zusammenhang mit der Expression von potenten PF. Nach erfolgter Transduktion mit TraFo-VP konnten die transferierten PF-codierenden mRNA in den Primärzellen nachgewiesen werden. Die Anwendung dieses Systems resultierte jedoch weder in einer nachweisbaren PF-Expression noch konnte eine proliferationsfördernde Wirkung in transduzierten Zellen festgestellt werden. Auch durch sequenzielle Transduktion der Zielzellen konnte keine Steigerung der Proliferationsrate induziert werden. Durch Verwendung von 50 fach konzentrierten SV40T-codierenden TraFo-VP konnte der mRNA-Transfer erhöht werden, wodurch dann auch die SV40T-Proteinexpression in den transduzierten Zellen nachweisbar wurde. Zudem konnte erstmalig gezeigt werden, dass sich im zeitlichen Verlauf sowohl die zellassoziierte SV40T-mRNA als auch die SV40T-Proteinkonzentration verringerte, bis sie nicht mehr nachweisbar war. Dabei konnte jedoch auch mit den konzentrierten TraFo VP keine nachweisbare transiente Immortalisierung primärer HCEC erreicht werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine permanente genetische Manipulation mit den viralen PF und dem 4D-Komplex eine Verlängerung der replikativen Lebensdauer ermöglichte und damit einhergehend die Immortalisierung primärer HCEC. Obgleich eine transiente Immortalisierung primärer HCEC mit den getesteten Systemen in dieser Arbeit nicht möglich war, ist eine klinische Anwendung des TraFo-VS, nicht aber des IDLV-Systems, in der angewandten Form, vielversprechend, um die Verfügbarkeit von qualitativ geeignetem Spendergewebe für die Transplantation bzw. Zellen für das Bioengineering des Hornhautendothels zu erhöhen. Daneben könnte das TraFo-VS ebenfalls genutzt werden, um andere zelluläre Funktionen in HCEC oder auch anderen Zielzellen transient zu modifizieren, z. B. Ionenfluss, replikative Seneszenz, Phagozytose oder Apoptose. / Human corneal endothelial cells (HCEC) form a monolayer of differentiated cells on the posterior surface of the cornea and are essential for maintaining corneal transparency. HCECs show almost no proliferative activity in vivo and only limited proliferative capacity in vitro. With excessive cell loss due to trauma, disease, or age-related degeneration, corneal transparency may be irreversibly compromised, and donor cornea transplantation may be required to restore vision. In this context, the global limitations in the medical supply of high-quality donor corneas are currently the most significant obstacle to the treatment of cornea-associated diseases. Cell replacement strategies using in vitro cultured donor cells of sufficient quantity and quality could complement the largely exhausted logistic approaches to alleviate donor shortage. The development of a method for strictly transient in vitro and in situ replication of primary HCECs without loss of their natural morphological characteristics would allow the production of well-characterized grafts derived from primary HCECs. To this end, I first aimed to identify different proliferation factors (PF) that provoke a robust proliferation-promoting signal in primary HCECs through stable retroviral gene transfer of candidate PF genes with integration-competent lentiviral vectors (ICLVs). Additionally, the pseudotyping of ICLV particles with alternative viral glycoproteins should reduce cytopathic effects and increase transduction efficiency. Subsequently, it should be clarified to what extent the identified PFs are capable of stimulating the proliferation of primary HCEC for a limited duration in a non-transformed context. Using different retroviral expression systems, I attempted to develop a clinically applicable system that allowed controlled, time-limited stimulation of proliferation while circumventing tumor-like cell growth. For this purpose, 1) integrase-deficient lentiviral vectors (IDLV), which allow transient transgene expression by direct transcription of the episomal DNA vector genome, and 2) the transient foamy virus vector system (TraFo-VS), which is based on encapsidation and transfer of non-viral mRNA in permissive target cells, were used. It was shown that ICLV pseudotypes containing either an SFVmcy glycoprotein variant (ICLVSFV) or the VSV-G protein (ICLVVSV) exhibited significant transduction efficiency without eliciting cytotoxic effects in target cells, highlighting both as viable candidates. Employing the optimized ICLV system, three PFs were identified that enabled reproducible immortalization of primary HCECs through stable expression after transduction with the ICLV pseudotypes. These included the cyclin D1/CDK4 protein complex (4D), the SV40 T antigens (SV40T), and the transforming proteins E6 and E7 (E6/E7) of HPV16. It was also shown that proliferation of transduced primary HCEC could be significantly increased in a dose-dependent manner following stable transduction with PF encoding ICLV particles. However, studies conducted using IDLV variants showed that PF-transduced HCEC exhibited a comparable proliferative behavior to their stably transduced equivalents. This demonstrated the residual, non-canonical integration capacity of IDLV particles especially in the context of potent PF expression. After successful transduction with TraFo-VP, the transferred PF-encoding mRNA could be detected in primary cells. However, application of this system did not result in detectable PF protein expression, nor could a proliferation-promoting phenotype be detected in transduced cells. Sequential transduction of target cells also failed to induce an increased proliferation rate. By using 50-fold concentrated SV40T-encoding TraFo-VPs, mRNA transfer could be increased, enabling detectable SV40T protein expression in transduced cells. In addition, it was shown for the first time that both cell-associated SV40T mRNA and SV40T protein levels decreased over time until they were no longer detectable. No observable transient immortalization of primary HCEC could be achieved even with the concentrated SV40T-encoding TraFo-VP. In conclusion, permanent genetic manipulation with the viral PFs and 4D protein complex allowed the prolonging of the cellular replicative lifespan in vitro and concomitant immortalization of primary HCEC. Although transient immortalization of primary HCECs was not possible with the systems tested in this investigation, clinical application of the TraFo-VS, but not the IDLV system as applied, remains a promising approach to increase the availability of suitable donor tissue for transplantation or cells for corneal endothelial bioengineering. Additionally, the TraFo-VS could also be used to transiently modify other cellular functions in HCEC or other target cells, e.g., ion flux, replicative senescence, phagocytosis, or apoptosis, for further cell biological research approaches.