Objectifs : Les thérapies régénératives cardiaques ont connu un essor considérable au cours des 10 dernières années. Malgré des effets positifs démontrés chez l’animal, les bénéfices cliniques obtenus chez l’homme sont encore relativement modestes. L’objectif de ce travail a été de mieux comprendre les facteurs liés à l’implantation des cellules souches grâce aux techniques de détection cellulaire en imagerie par résonance magnétique (IRM), afin d’optimiser la thérapie cellulaire cardiaque.Matériel et méthodes : Un protocole de détection cellulaire en IRM cardiaque in vivo ainsi qu’une méthode de détection des microvaisseaux en IRM cardiaque ex vivo haute résolution avec des séquences Susceptibility Weighted Imaging (SWI) ont été développés, puis mis en application pour l’étude de la vectorisation de progéniteurs des cellules endothéliales marqués magnétiquement par des nanoparticules d’oxyde de Fer et injectés par voie intraveineuse, ainsi que pour l’évaluation de l’intégration et de l’efficacité de cellules souches mésenchymateuses administrées via des patchs de fibrine cellularisés chez des rats adultes indemnes de toute pathologie (un groupe contrôle vs un groupe infarctus via ligature définitive de l’artère interventriculaire antérieure).Résultats : Après injection intraveineuse et malgré la vectorisation magnétique (n=16 rats), l’imagerie de détection cellulaire a montré qu’aucune cellule n’était implantée dans le myocarde et que les paramètres fonctionnels cardiaques n’étaient pas améliorés. Avec les patchs cellularisés (n=37 rats), la fraction d’éjection ventriculaire gauche (FEVG) était améliorée dans les groupes de patchs cellularisés par rapport aux groupes contrôles. La densité microvasculaire était augmentée dans la zone infarcie et peri-infarcie dans les groupes cellularisés par rapport aux groupes contrôles, à la fois en immunohistochimie et en IRM sur les séquences SWI. L’IRM a montré l’absence de migration des cellules dans le myocarde à partir du patch, confirmé en immunohistochimie. La persistance de cellules dans la zone d’implantation du patch à la surface épicardique à J21 post greffe et l’étude en cytométrie en flux des cytokines et facteurs de croissance produits par les cellules souches plaident pour une efficacité de la thérapie cellulaire en rapport avec la sécrétion de facteurs paracrines par les cellules souches.Conclusion : L’imagerie de susceptibilité magnétique permet d’une part d’étudier les vaisseaux myocardiques sur des séquences pondérées en SWI ex vivo et d’autre part d’évaluer l’implantation des cellules souches sur des séquences en écho de gradient T2* in vivo. Ces techniques ont permis de mieux caractériser le mode d’action des patchs cardiaques en tant que réservoir de facteurs paracrines pour le traitement de l’insuffisance cardiaque dans un modèle murin. Ces résultats confirment l’intérêt fort à développer et optimiser l’utilisation de biomatériaux intelligents délivrant spécifiquement des molécules d’intérêt comme les cytokines ou les facteurs de croissance et permettant ainsi de contourner les contraintes immunogènes et tératogènes liés aux cellules souches. / Objectives: Cardiac regenerative therapies have grown considerably over the past 10 years. Despite positive effects demonstrated in animals, the clinical benefits obtained in humans are still relatively modest. The objective of this work was to better understand the factors associated with implantation of stem cells through the cell detection techniques in magnetic resonance imaging (MRI) and to improve cardiac stem cell therapy in a murine model of myocardial infarction.Materials and methods: A protocol for cell detection with gradient echo T2* sequences in cardiac MRI in vivo and a method for detection of microvessels in cardiac MRI ex vivo with high resolution Susceptibility Weighted Imaging sequences (SWI) were developed and implemented for the study of vectorization of intravenously injected endothelial progenitors cells (EPC) and the integration and evaluation of the impact of mesenchymal stem cells (MSC) administered via cellularized fibrin patches. A permanent ligation of the left anterior coronary artery was performed in adult rats. The stem cells were magnetically labeled with iron oxide nanoparticles by endocytosis.Results: Cell detection imaging showed no cell implantation in the myocardium and no improvement in cardiac functional parameters after intravenous injection of EPC, despite the aid of magnetic vectorization (n = 16 rats). With a local administration of MSC via cardiac patches (n = 37 rats), the left ventricular ejection fraction (LVEF) was improved in cellularized patches groups compared to controls. Microvascular density was increased in the infarcted and peri – infarcted areas in cellularized patches groups compared to controls in immunohistochemistry and in MRI on SWI sequences. The MRI showed no migration of cells into the myocardium from the patch, as confirmed by immunohistochemistry and Perls staining. The persistence of MSCs on the epicardial surface at D21 after implantation and flow cytometry profiling of cytokines and growth factors produced by MSC argue for cell therapy effectiveness related to the secretion of paracrine factors by stem cells.Conclusion: Susceptibility imaging allows: (1) to study myocardial vessels on SWI sequences ex vivo and (2) to assess the implementation of stem cells on gradient echo sequences T2 * in vivo. These techniques have shown that cardiac patches act as a reservoir of soluble mediators which paracrinally target the angiogenesis in the treatment of heart failure in a murine model. This is in favor of a move towards “cell free” biomaterials containing only molecules of interest such as cytokines or growth factors to circumvent immunogenic and teratogenic constraints related to the use of stem cells.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’athérosclérose est une maladie inflammatoire, caractérisée par une accumulation lipidique et cellulaire, dont le macrophage est l’acteur principal. Dans l’athérosclérose, le macrophage sécrète des cytokines qui favorisent le chimiotactisme et donc la migration et l’internalisation des cellules immunitaires, accentuant le processus pro-inflammatoire et accélérant l’évolution des plaques athéromateuses et leur instabilité jusqu’à éventuellement la rupture et/ou la formation de thrombus. Il est donc important de développer une technique d’imagerie cellulaire permettant de visualiser les macrophages et leur migration dans divers contextes pathologiques pour mieux comprendre leur implication, permettre le suivi thérapeutique et probablement leur utilisation dans la thérapie vectorisée. Le but de ce travail vise principalement à marquer aux nanoparticules de fer des macrophages activés de manière classiques (macrophages dits « M1 ») pour l’évaluation du statut inflammatoire dans un premier temps au sein des plaques d’athérome, et la visualisation de la dynamique de leur recrutement par IRM. Dans un deuxième temps, la méthode est exploitée pour montrer in vivo l’effet d’un traitement permettant de diminuer l’inflammation dans la plaque chez des souris invalidées pour le gène de l’apolipoprotéine E (ApoE-/-). Enfin, l’utilisation du protocole de marquage des macrophages M1 et leur suivi par IRM sont appliqués au diagnostic par imagerie d’une inflammation transitoire et circonscrite au poumon, induite par les lipopolysaccharides (LPS). En conclusion, le marquage des monocytes dirigés vers la voie M1 pour leur détection par IRM représente une méthode solide pour étudier différents phénomènes immunologiques en particulier le processus inflammatoire, et peut être un outil ou une approche de vectorisation permettant le suivi thérapeutique, cellulaire ou génique / Atherosclerosis is an inflammatory disease characterized by vessel wall lipids and cells accumulation, for which the macrophage acts as a central actor. In atherosclerosis the macrophage secretes cytokines that promote chemotaxis and thus migration and internalization of immune cells. This phenomenon emphasizes pro-inflammatory processes and accelerates the development of atherosclerotic plaque unstability to potentially its rupture with or without thrombus formation. It is therefore important to develop a technique for cell imaging to visualize macrophages and their migration in various pathological contexts to better understand their involvement, to allow therapeutic drug monitoring and probably their use in vectorized therapy. The aim of this work is mainly to label activated macrophages in classical way (macrophages called "M1") by iron nanoparticles, first to evaluate the inflammatory status within atherosclerotic plaques, and visualize their dynamic recruitment by MRI. In a second step, the method is used to show in vivo the effect of a treatment to reduce inflammation in the plaque, in mice invalidated for the gene for apolipoprotein E (ApoE-/ -). Finally, the protocol for M1 macrophages labelling and MRI tracking, was used for diagnostic imaging of a transient inflammation confined to the lung induced by lipopolysaccharide (LPS). In conclusion, the labelling of monocytes headed towards M1 polarization for their detection by MRI is a robust method to study various immunological phenomena in particular the inflammatory process, and can be an approach to vectorization and monitoring for gene or cell therapy

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le développement récent de l’endoscopie interventionnelle digestive nous a conduit à prendre en charge deux types de pathologies préoccupantes. Il s’agit d’une part des fistules digestives souvent responsables d’une morbi-mortalité élevée et d’autre part des sténoses œsophagiennes après résection tumorale endoscopique étendue. Dans ces deux situations, des phénomènes inflammatoires chroniques conduisent soit à l’absence de fermeture de la fistule soit à une fibrose importante responsable de sténose de l’œsophage. La thérapie cellulaire a déjà été utilisée pour diminuer ces phénomènes inflammatoires et entrainer une cicatrisation. La thérapie tissulaire par cellules souches organisées en construction 3D représente un avantage important en permettant de cibler le site d’action par dépôt direct du feuillet cellularisé. Notre objectif était d’évaluer l’effet thérapeutique de ces nouveaux outils pour fermer les fistules digestives et pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes. La première étape a consisté a évaluer l’efficacité du traitement par des cellules souches mésenchymateuses provenant de moelle osseuse humaine, marquées puis organisées en doubles feuillets, dans un modèle de fistule entéro-cutanée post-chirurgicale chez la souris nude. L’évaluation clinique et en imagerie (IRM et microscopie confocale) a montré une meilleure cicatrisation avec une augmentation de la microvascularisation et une accélération de la fermeture de la fistule chez les souris greffées. Les effets observés semblent liés à une augmentation précoce de la synthèse des facteurs de réparation (EGF et le VEGF) et des cytokines anti-inflammatoires (TGF-ß2 et IL-10). Après avoir développé un modèle inédit de fistule oeso-cutanée chez le porc grâce à la mise en place par voie endoscopique et chirurgicale de prothèses plastiques entre la lumière œsophagienne et la peau, nous avons évalué l’efficacité thérapeutique d’un gel contenant des vésicules extracellulaires issues de cellules souches isolées du tissu adipeux de porc. Ce gel injecté dans la fistule par voie endoscopique a permis la fermeture des fistules. Enfin, la troisième partie de notre travail a consisté à évaluer l’efficacité de la greffe allogénique de doubles feuillets de cellules souches mésenchymateuses pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes dans un modèle porcin après dissection sous muqueuse étendue. Il existait une réduction significative du taux de sténose œsophagienne cicatricielle dans le groupe greffé avec une fibrose moins importante. En conclusion, l’effet paracrine antifibrosant des cellules souches mésenchymateuses organisées en feuillets est efficace à la fois pour fermer les fistules entéro-cutanées chez la souris et pour prévenir les sténoses œsophagiennes chez le porc. Un gel avec des vésicules extracellulaires issues des cellules souches a de la même façon un effet cicatrisant anti-inflammatoire permettant la fermeture des fistules œsophagiennes chez le porc. Ces résultats sont très encourageants et posent la question d’une évaluation future chez l’homme. / Recent developments in digestive interventional endoscopy lead us to manage two types of digestive disease. First, it is digestive fistulas associated in many cases with high morbi-mortality; and second is oesophageal stenosis after extended superficial endoscopic resection. In both situations, chronic inflammatory process resulted in delayed or no fistula healing for the first case or oesophageal stenosis due to fibrosis. Cellular therapy has proved to be successful in reducing the inflammatory process and to promote tissue healing. Tissue therapy with 3D construct stem cells represents a major advantage by allowing a direct adaptation on the right place. Our objective was to evaluate the therapeutic effect of new strategy to close the digestive fistula and to prevent oesophageal stenosis. First step was to evaluate the effect of labelled human bone marrow derived mesenchymal stem cells engraftment in the form of double cellsheet in a post-surgical fistula model in nude mice. Clinical and radiological (MRI and probe based confocal microscopy) evaluation showed a better fistula healing with higher microvascularization and a faster fistula closing in grafted mice. These effects appear to be related to an increase production of factors involved in tissue repair (EGF et le VEGF) and anti-inflammatory cytokines (TGF-ß2 et IL-10). We developed an unpublished eso-cutaneous fistula in a porcine model after plastic catheters placement by surgical and endoscopic way between the oesophageal lumen and the skin. We evaluated the therapeutic effect of a hydrogel with extracellular vesicles extracted from porcine adipose derived stem cells. The hydrogel with vesicles was injected into the fistula by endoscopy. Radiological and histological evaluation 15 days after injection showed a fistula tract closure in treated group.The third part of this work was to evaluate the effect of allograft of adipose derived stem cells 3D construct to prevent the stenosis after extended endoscopic submucosal dissection in a porcine model. There was a significant reduction of number and degree of stenosis with decrease fibrosis infiltration in the grafted group.In summary, thanks to their paracrine and antifibrotic effect, the mesenchymal stem cells organised as 3D construct allowed fistula closure in an entero-cutaneous model in mice and prevention of stenosis after extended oesophageal submucosal dissection in a porcine model. Moreover, endoscopic hydrogel and extracellular vesicles injection allowed oesophageal fistula healing in a porcine model. These promising results pose the challenge of future clinical studies.