Glucocorticoids are the most widely prescribed medications due primarily to their anti-inflammatory and immunosuppressive actions, however, their use is not without side effects. Among these, glucocorticoids cause profound muscle atrophy, yet paradoxically are used as the first line of treatment for muscle wasting disorders such as Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) and inflammatory myopathies. In DMD patients, glucocorticoid treatment can improve muscle strength during the first 6 months of treatment and can delay loss of muscle function by up to three years. While recent advancements have been made to understand the effect of glucocorticoids (GCs) on the myofiber, the impact of GCs on skeletal muscle stem cells (MuSCs), the adult stem cells responsible for muscle regeneration, and their role in myogenic differentiation, are relatively unknown. To study the role of glucocorticoid signalling during muscle repair, I developed a conditional null mouse (GRMuSC-/-) model in which glucocorticoid receptor (GR) expression is knocked out specifically in MuSCs (GRMuSC-/-). One-week following acute muscle injury, WT and GRMuSC-/- mice both underwent robust repair assessed by myofiber cross-sectional area (CSA) analysis. However, the GR-/- MuSCs failed to return to quiescence following repair resulting in a significant increase in average myofiber CSA at 28- and 42- days post-injury, as compared to controls. Loss of the GR led to a significant increase in the percentage of PAX7+Ki67+ cycling cells in GRMuSC-/- mice (as compared to controls) at 42 days post injury. In the uninjured contralateral limb, I observed significantly fewer MuSCs in GRMuSC-/- mice with a concomitant increase in fibers with centrally located nuclei, indicating that these PAX7+ MuSCs progressed to differentiation in the absence of direct injury. In an uninjured model, two weeks following loss of GR expression there was an increase in the percentage of BrdU+ and Ki67+ cycling cells in resting GRMuSC-/- tibialis anterior muscles as compared to WT, suggesting that the GR acts to maintain MuSC quiescence. Consistent with this, immunostaining of single EDL myofiber fibers at T2h post-dissociation revealed that loss of GR in MuSCs lead to precocious activation and subsequent proliferation of MuSCs as compared to controls. Bulk RNA-sequencing from in situ fixed MuSCs in resting muscle revealed that the gene signature of GR-/- MuSCs was consistent with cells that have exited from the quiescent state and are activated for differentiation. Despite precocious activation, GR-/- myoblasts differentiate and fuse normally, however the myotubes produced had abnormal morphology and aberrant myonuclear placement in regenerated muscle fibers in vivo.

付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「メディカルイノベーション大学院プログラム」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第25007号 / 医科博第154号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 遊佐 宏介, 教授 萩原 正敏, 教授 齋藤 潤 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie héréditaire causée par la mutation du gène DYS qui code pour la dystrophine, une protéine exprimée au niveau des fibres musculaires et qui y joue un rôle important dans le maintient de la stabilité et de l'intégrité des membranes. Elle est caractérisée par la dégénérescence progressive des fibres musculaires ce qui aboutit à l'atrophie de la plupart des muscles. Il n'existe pas pour le moment un remède pour la maladie, mais plusieurs types de thérapies sont étudiés pour mettre au point un traitement. Dans notre laboratoire, on s'intéresse à développer une thérapie cellulaire basée sur la transplantation de myoblastes normaux dans le muscle dytrophique, afin de permettre la restauration de l'expression de la dystrophine au niveau des fibres réparées par la fusion des myoblastes transplantés. Cependant, le succès de cette approche évalué par le nombre de fibres formées après la transplantation qui expriment la dystrophine, est limité. Ce succès limité est dû entre autre à la durée limitée de la période de régénération qui suit le dommage fait au muscle dystrophique. Afin de remédier à ce problème, notre hypothèse de travail est d'augmenter la régénération après le dommage induit par la transplantation de myoblastes, en augmentant la capacité proliférative et la capacité de fusion de ces derniers. Pour cela, l'inhibition du signal induit par une protéine présente normalement dans le muscle, la myostatine, pourrait être bénéfique. Ainsi, les travaux dont fait l'objet la présente thèse démontrent que le blocage du signal de la myostatine dans le muscle de la souris dystrophique, en utilisant des approches différentes, permet en effet d'améliorer le succès de la greffe de myoblastes normaux, mais aussi d'entraîner une hypertrophie musculaire et une augmentation de la force musculaire. / Duchenne muscular dystrophy is a hereditary disease caused by the mutation of DYS gene, which codes for dystrophin, a protein expressed in the myofibers where it plays an important role in the stability and the integrity of membranes. The disease is characterized by the progressive degeneration of the muscle fibers, which induces the atrophy of most of the muscles. To date, there is no cure for this pathology, but several types of therapies are studied to develop a treatment. In our laboratory, we are interested to develop a cell therapy based on the transplantation of normal myoblasts in the dystrophic muscle, to allow the restoration of the expression of dystrophin in fibers repaired by the fusion of the transplanted myoblasts. However, the success of this approach evaluated by the number of fibers formed after the transplantation, which express dystrophin, is limited due in part to the short period of regeneration following the muscle damage. To bypass this problem, our research work presented in the present thesis aimed to increase the regeneration after the damage caused by the myoblast transplantation procedure, by improving the proliferative and fusion capacities of the transplanted myoblasts. This was achieved by inhibiting a protein normally present in the muscle, i.e., myostatin. Thus, the results of this thesis show that the blockade of the myostatin signal in dystrophic mice, using different approaches, not only improved the success of normal myoblast graft, but also induced fiber hypertrophy and increased muscle strength.

À cause de l’absence de dystrophine, les fibres musculaires d’un enfant atteint de la Dystrophie Musculaire de Duchenne (DMD) sont fragiles et leurs ruptures fréquentes entraînent une dégénérescence progressive du tissu musculaire. Basée sur les mécanismes de la régénérescence musculaire, la transplantation de myoblastes consiste à fournir des précurseurs myogéniques sains afin que ces derniers participent à la réparation du tissu musculaire dystrophique. Bien que cette approche ait permis de restaurer l’expression de dystrophine lors d’études cliniques menées auprès de patients DMD, la faible dispersion des fibres exprimant la dystrophine s’est révélée un problème majeur requérant que des injections de myoblastes soient effectuées à tous les millimètres afin d’obtenir un succès de greffe optimal. Une faible migration des cellules greffées à l’extérieur des sites d’injection étant suspectée comme principale cause de la restriction des fibres hybrides au niveau des sites d’injections, l’objectif de nos travaux fut d’établir que l’IGF-1, le bFGF et l’interleukine-4 présentent des propriétés chémokinésiques et que leur co-injection avec les cellules greffées est une approche physiologique et efficace pour favoriser la migration intramusculaire des myoblastes squelettiques humains ou de singe. Bien que la co-injection de facteurs de croissance fût envisagée dans l’espoir que les cellules ayant migré puissent fusionner avec les fibres retrouvées à l’extérieur de la trajectoire d’injection, les résultats de transplantation obtenus chez le primate suggèrent que l’augmentation du potentiel migratoire n’est pas, à elle seule, une approche suffisante pour accroître la quantité et la dispersion des fibres hybrides. Globalement, nos travaux ont permis de mieux comprendre et de redéfinir les facteurs limitant le succès de la transplantation de myoblastes. Bien que les cellules myogéniques aient effectivement un potentiel migratoire limité, l’absence de fusion entre les cellules greffées et les fibres non endommagées est sans doute la cause réelle de la restriction des fibres hybrides. Tant que ce problème subsistera, toutes les approches permettant d’améliorer la migration des cellules greffées ne pourront se révéler efficaces pour améliorer la dispersion des fibres et pour réduire la quantité d’injections requises pour le traitement d’un patient dystrophique. / Due to the absence of dystrophin, muscle fibers of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) patients are fragile and their constant ruptures induce a progressive lost of muscular tissues. Myoblast transplantation (MT) is an experimental treatment for DMD. Following their intramuscular injection, healthy myogenic precursor cells are able to fuse with host fibers and restore dystrophin expression. Although MT had efficiently restore dystrophin expression in DMD patients; transplantation success following a single injection is limited. The low dispersion of dystrophin expressing fibers is a major problem that requires myoblast injections every millimetre to obtain an optimal graft success. Since poor transplanted cell migration outside the injection sites has been proposed to explain the restriction of hybrid myofibers, motogenic factors were tested to verify whether their co-injection with transplanted myoblasts is a physiological and effective approach to stimulate proteolytic activity as well as myoblast intramuscular migration. Results demonstrated that insulin growth factor-1, basic fibroblast growth factor and interleukin-4 show strong chemokinetic potential for human skeletal myoblasts and increase the migration distances reached by transplanted cells. By improving cell migration through muscular tissue, we hoped that growth factors co-injection would help transplanted cells to fuse with myofibers located outside the injection sites. However, experiments conducted in monkeys suggest that improvement of transplanted cell migration is not, per se, a sufficient approach to increase the quantity and dispersion of hybrid fibers. Generally, our work helped to clarify and redefine a major problem, which limits graft success. Even if short-term observations suggest that transplanted cells are not always trapped inside the injection sites, myofibers including grafted cell nuclei remain restricted to the injection trajectories one month post transplantation. Lack of fusion with undamaged myofibers located outside the injection sites will probably have to be resolved to improve dispersion of hybrid myofibers and thus reduce the number of injections required for the treatment of DMD patients. As long as this fusion problem remains, all approaches, which increase transplanted cell migration, will not be sufficient to increase MT success.

La dystrophic musculaire de Duchenne est la plus sévère des dystrophies musculaires de l'enfant. De transmission récessive liée à l'X, elle touche 1 nouveau-né masculin sur 3500. L'absence presque complète de la dystrophine, protéine sub-sarcolémique, est le premier marqueur moléculaire de cette myopathie. La transplantation de myoblastes normaux est une approche possible pour introduire une dystrophine fonctionnelle dans les fibres musculaires des patients dystrophiques. Toutefois, cette stratégie a produit des résultats limités au cours de la dernière décennie. L'amélioration de la capacité proliferative et de fusion des myoblastes transplantés ainsi que de leur survie pourrait avoir des effets bénéfiques sur cette approche. La superfamille des TGF-β regroupe des régulateurs négatifs de la croissance du muscle squelettique et de la prolifération et la différenciation des cellules myogéniques. De ce fait, l'objet dans cette présente thèse est de combiner l'inhibition de la signalisation des membres de cette superfamille comme la myostatine et le TGF-β à la transplantation de myoblastes humains, chez des souris dystrophiques immunodéficientes. Au cours de mes travaux de thèse, j'ai eu recours à différentes approches pour bloquer la signalisation de la myostatine et des autres ligands de la superfamille des TGF-β. La première consiste à modifier génétiquement les myoblastes humains à transplanter en exprimant un récepteur de l'activine de type IIB muté, sous la forme dominant négatif. La deuxième approche est de transplanter des myoblastes chez des souris dystrophiques traitées avec du losartan, une molécule qui inhibe l'expression du TGF-β1, et la troisième stratégie consiste à injecter une forme soluble du domaine extracellulaire du récepteur de l'activine de type IIB chez des souris dystrophiques. In vitro, l'inhibition de l'action de ces facteurs augmente la prolifération et la fusion des myoblastes humains avec une diminution de l'apoptose et modulation de l'expression des facteurs régulateurs myogéniques. In vivo, 1'immunodetection de la dystrophine dans des coupes du Tibialis antérieur, 1 mois après la transplantation des myoblastes, démontre une amélioration du succès de la greffe. Ainsi, l'inhibition des facteurs de la superfamille des TGF-β constitue une bonne approche pour améliorer le succès de la thérapie cellulaire de la DMD, en plus de la stimulation de la croissance musculaire.

La dystrophie musculaire de Duchenne est une myopathie récessive liée au chromosome X. Cette pathologie est due à une mutation dans le gène codant pour la dystrophine. Cette protéine est responsable du maintien de l'intégrité de la fibre musculaire. La thérapie cellulaire basée sur la transplantation de cellules souches myogéniques ou myoblastes constitue une approche potentielle pour véhiculer le gène sain de la dystrophine afin de corriger l'absence de la protéine. Cette approche est limitée par la faible migration des myoblastes greffés, le rejet immunitaire des cellules injectées et la mort précoce et massive des myoblastes transplantés durant les 3 premiers jours après la greffe. Nous nous sommes intéressés dans la présente thèse à identifier les différents facteurs qui peuvent être responsables de cette mort importante. Ces facteurs incluent : . la réaction inflammatoire, (2) l'anoikis, (3) le stress physique et (4) l'ischémie/hypoxie. Parmi ces éléments, nous avons évalué le rôle de l'anoikis et de l'hypoxie et nous avons ainsi démontré que ces deux facteurs étaient en partie responsables de la mort des cellules. Dans un second temps, nous avons proposé deux alternatives possibles pour améliorer la survie et le succès des greffes de myoblastes. Une des approches consiste à traiter les myoblastes à un choc thermique avant de les transplanter. Ce traitement a permis d'améliorer le succès des greffes de myoblastes de 4 fois environ. L'exercice physique constitue également une approche qui, associé à une transplantation de cellules myogéniques, potentialise le succès de la transplantation. Par ailleurs, dans le but de faire le suivi des greffes de myoblastes, nous avons développé une technique qui consiste à modifier génétiquement les myoblastes pour qu'ils expriment le transporteur humain du sodium et de l'iode (hNIS). La survie et la prolifération des cellules transplantées sont évaluées en procédant à des injections intrapéritonéale de technétium. On procède ensuite à une radiographie de la région greffée à l'aide d'une camera-y. Nos résultats montrent que la réduction du nombre de myoblastes qui meurent suivant leur transplantation constitue une approche potentielle pour améliorer le succès de greffe.

Les cellules souches embryonnaires humaines (hESCs) et les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSCs) ont démontré leur capacité d'auto-renouvellement et peuvent potentiellement se différencier en tous les types de lignées cellulaires. Elles représentent donc une source illimitée de cellules pour le développement de thérapies curatives pour les maladies dégénératives, telles que la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). Cette maladie héréditaire est le résultat de diverses mutations dans le gène de la dystrophine. Ces mutations engendrent un changement dans le cadre de lecture du gène de la dystrophine, abolissant ainsi son expression. Elle se caractérise cliniquement par une progression rapide de la dégénérescence musculaire qui débute tôt dans la vie. Les hiPSCs dystrophiques ont été corrigées par notre collaborateur, le Dr. Hotta, en insérant une paire de bases dans l’exon 45 avec les Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs) pour rétablir le cadre de lecture du gène. Notre laboratoire a mis au point une procédure en deux étapes pour différencier des hiPSCs en cellules myogéniques. Nous avons d'abord utilisé un milieu de culture myogénique préparé spécialement dans le laboratoire (appelé MB1) pour promouvoir la différenciation des hiPSCs en cellules de type mésenchymateuses. Nous les avons ensuite transduites avec un lentivirus exprimant MyoD, un facteur de transcription myogénique sous le contrôle du promoteur synthétique CAG, afin d'induire leur différenciation en myoblastes. Ces myoblastes modifiés ont été greffés dans le muscle Tibialis anterior d’une souris Rag/mdx, un animal immunodéficient et dystrophique, et ont par la suite fusionné avec les fibres musculaires existantes. La présence de la protéine dystrophine humaine a été confirmée par immunohistofluorescence dans les muscles greffés avec les cellules corrigées génétiquement ainsi que dans le contrôle positif réalisé avec des myoblastes provenant d'un donneur sain. La thérapie cellulaire homotypique à partir de cellules corrigées génétiquement présente de grands avantages pour les patients souffrant de DMD, car elle permet l’expression d’un gène capable de produire une dystrophine fonctionnelle dans les fibres musculaires, de diminuer les risques de rejet de la greffe et d’accroitre la capacité de régénération du muscle et la force musculaire. / Human embryonic stem cells (hESCs) and human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have shown self-renewal capacity and can potentially differentiate into all types of cell lineages. They represent an unlimited source of cells for the therapy of degenerative diseases, such as Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), a disease characterized by a rapid degeneration of muscles that starts early in life. Dystrophic hiPSCs have been corrected by our collaborator, Dr. Hotta, by inserting of a single base pair in the exon 45 with Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs) to restore the reading frame of the gene. Our laboratory has developed a two-step procedure to differentiate hiPSCs into myogenic cells. We first used a myogenic culture medium especially developped in the laboratory (called MB-1) to promote the differentiation of hiPSCs into mesenchymal-like precursor cells. We next transduced them with a lentivirus expressing the myogenic transcription factor MyoD under the control of the composite CAG promoter, in order to induce their differentiation into myoblasts. Transduced cells have been grafted in the Tibialis anterior muscle of Rag/mdx mice where they fused with existing muscle fibers. The presence of the human dystrophin protein has been confirmed by immunohistofluorescence in muscles grafted with the genetically corrected cells and in a control graft with myoblasts of a healthy donor. Cell therapy shows great promises for DMD patients since it allows the expression of a normal gene capable of producing a functional dystrophin in muscle fibers and increase the regenerative capacity of the muscle and the muscle strength.