L’apoptose endothéliale initie le processus menant au remodelage vasculaire et au développement de la néointima dans la vasculopathie du greffon. La formation de néointima résulte de l’accumulation de leucocytes, de matrice extracellulaire et de cellules positives pour l’actine musculaire lisse alpha (αSMA+) dans l’intima des artères, artérioles et capillaires du greffon. Les cellules αSMA+ dans la néointima sont des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) dérivées du donneur ainsi que des cellules souches dérivées du receveur, dont des cellules souches mésenchymateuses (CSM). L’acquisition d’un phénotype anti-apoptotique chez ces cellules est déterminante pour le développement de la néointima. Le laboratoire de Dre Hébert a démontré que les cellules endothéliales (CE) apoptotiques libèrent des médiateurs induisant une résistance à l’apoptose chez les CMLV et les fibroblastes. Notamment, les CE apoptotiques relâchent la cathepsine L qui clive le perlécan et ainsi libère un fragment C-terminal correspondant au troisième motif laminine G du domaine V du perlécan (LG3). Le LG3 est anti-apoptotique pour les fibroblastes. Nous avons donc émis l’hypothèse que le LG3 est un des médiateurs clés libéré par les CE apoptotiques favorisant le développement de la néointima via l’induction d’un phénotype anti-apoptotique chez les cellules néointimales αSMA+. Nous avons démontré que les médiateurs libérés par les CE apoptotiques induisent un phénotype anti-apoptotique chez les CSM dépendant de l’activation de la voie ERK1/2. De plus, le LG3 active la voie ERK1/2 via son interaction avec les intégrines beta 1 et induit une réponse anti-apoptotique chez ces cellules. Cependant l’activation de ERK1/2 par le LG3 est plus faible en comparaison de son activation par le milieu conditionné par des CE apoptotiques. Nos résultats suggèrent que les CE apoptotiques libèrent aussi de l’EGF qui agit de façon paracrine sur les CSM en coopération avec le LG3 pour induire un phénotype anti-apoptotique chez les CSM. Nous avons poursuivi l’étude de l’effet du LG3 in vivo sur le remodelage vasculaire en transplantation. Nous avons pour cela développé un modèle murin de rejet vasculaire qui consiste en une transplantation aortique entre des souris alloincompatibles. Nous avons ensuite injecté du LG3 chez les souris receveuses en post-transplantation. Nous avons observé dans ce modèle que des niveaux augmentés de LG3 sérique augmentent la formation de néointima, favorisent l’accumulation de cellules néointimales αSMA+ et diminuent le nombre de cellules CD31+ au niveau du greffon aortique. Parallèlement nous avons vérifié que le LG3 induit aussi un phénotype anti-apoptotique chez les CMLV et nous avons démontré un nouvel effet du LG3, soit une activité pro-migratoire, qui dépend de l’activation de la voie ERK1/2 chez les CMLV. Nous avons complété cette étude par l’analyse des niveaux de LG3 sérique dans une cohorte de patients receveurs d’allogreffe rénale. Nous avons observé chez ces patients, une association entre des niveaux élevés de LG3 sérique et un rejet vasculaire. Le LG3 contribue à la formation de néointima par son activité pro-migratoire et pro-survie chez les cellules néointimales et aussi de par son activité angiostatique. Nos résultats suggèrent que le LG3 est un nouveau médiateur important dans le remodelage vasculaire en transplantation / In allogeneic transplanted organs, endothelial apoptosis is associated with vascular remodeling and neointima formation which in turn leads to allograft vasculopathy, a maladaptive form of vascular repair. In allograft vasculopathy, neointima results from the accumulation of leukocytes, extracellular matrix and alpha-smooth muscle actin positive (αSMA+) cells in the intima of allogeneic arteries, arterioles and capillaries. Neointimal αSMA+ cells comprise vascular smooth muscle cells (VSMC) derived from the donor and stem cells derived from the recipient, including mesenchymal stem cells (MSC). Acquisition of an anti-apoptotic phenotype of neointimal cells is central to the development of vascular obliterative changes. Dr Hébert’s team demonstrated that apoptotic endothelial cells release mediators which in turn induce a state of resistance to apoptosis of VMSC and fibroblasts. Apoptotic endothelial cells release cathepsin-L which cleaves perlecan therefore releasing a C-terminal fragment harbouring a laminin G motif and referred to as LG3. LG3 is anti-apoptotic for fibroblasts. We hypothesized that LG3 is a key mediator produced by endothelial apoptosis of importance in favoring neointima formation via the induction of an anti-apoptotic phenotype in αSMA+ neointimal cells We demonstrated that mediators released by endothelial apoptosis induce an ERK1/2-dependent anti-apoptotic phenotype in MSC. We identified LG3 as one of the mediators implicated in the induction of this anti-apoptotic response. Interactions between LG3 and beta 1 integrins expressed on MSC trigger ERK1/2 activation albeit to a lesser degree than medium conditioned by apoptotic endothelial cells. We showed that apoptotic endothelial cells also release EGF which cooperates with LG3 to induce an anti-apoptotic phenotype on MSC through cross-talk between EGF receptor and integrin-dependent pathways. Next, we characterized the impact of LG3 on allogeneic vascular remodeling in vivo. We developed a murine model of vascular rejection based on orthotopic transplantation of an aortic segment between two fully MHC-incompatible mice in absence of immunosuppression. Recombinant LG3 was injected intravenously post-transplantation in recipients resulting in higher circulating levels of LG3. In LG3-injected mice, accumulation of αSMA+ neointimal cells was enhanced resulting in significantly increased intima/media ratios in the allogeneic aortic graft. Aortic grafts of LG3-injected allografts also showed decreased CD31+ cells. We also demonstrated, using cell-based approaches, that LG3 exerts a pro-migratory activity on VSMC through beta 1-integrin and ERK1/2 -dependent pathways. In line with these observations we also reported augmented serum LG3 in human renal transplant patients in association with acute vascular rejection episodes. Collectively these results suggest that the pro-migratory, pro-survival and angiostatic activities of LG3 contribute to neointima formation. Our results suggest that LG3 is a novel mediator of importance in the development of obliterative vascular remodeling associated with rejection of allogeneic organs.

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As fissuras palatinas são problemas frequentes na rotina hospitalar em humanos assim como nos animais. Nas últimas décadas, diferentes técnicas cirúrgicas foram empregadas para a correção dos defeitos palatinos, entretanto, não possuem uma eficácia satisfatória em fendas que apresentam um grande defeito ósseo. Através do exposto acima, buscam-se novas alternativas para a reconstrução de fendas palatinas, sendo a engenharia de tecidos uma alternativa de tratamento para tal afecção. Este estudo possui a finalidade de avaliar a utilização da tela de polipropileno acrescida com MSC (células-tronco mesenquimais) e selante de fibrina em um modelo experimental de correção de fenda palatina em suínos, avaliando-se a cicatrização de tecido mucoso e ósseo do palato duro. Com isso, objetiva-se desenvolver uma nova técnica de reconstrução de fendas palatinas baseada na engenharia de tecidos. O estudo foi desenvolvido em duas etapas, uma in vitro e outra in vivo. O projeto in vitro avaliou duas técnicas de cultivo de MSC em diferentes placas de cultura, utilizando dois tipos de telas de polipropileno (macroporosa e microporosa) durante um período de quinze dias, para obter as melhores condições de interação entre a tela e as células. Em todas as formas de cultivo houve aderências das MSC, entretanto, o melhor protocolo foi na tela microporosa no período de sete dias de cultivo e em placas sem metacrilato. Para o estudo in vivo, foram utilizados 12 suínos, distribuídos em quatro grupos de igual número: grupo que utilizou somente tela de polipropileno (GT); tela de polipropileno associada à MSC e selante de fibrina (GTCF); tela de polipropileno e MSC (GTC); tela de polipropileno e selante de fibrina (GTF). Em todos os animais foi realizada a fenda palatina e colocação do enxerto conforme cada grupo. Os suínos foram avaliados quanto à presença de inflamação, cicatrização e deiscência de sutura no implante do palato. Após quinze dias os animais foram eutanasiados e os palatos avaliados por histologia pela coloração de HE e Picrosirius Red. A tela de polipropileno associada com MSC demonstrou ser melhor, entre os demais protocolos estudados neste trabalho, para correção de fenda palatina. Forneceu completa cicatrização óssea e da mucosa oral e nasal em um período de quinze dias, demonstrando ser uma nova técnica segura e eficaz, possuindo um potencial significativo para correção de fenda palatina. / Cleft palates are common problems in the hospital routine in humans and animals. In recent decades, different surgical techniques were employed for the correction of palatal defects, however, do not have a satisfactory efficacy in cracks that have a large bone defect. Through the above, seek new alternatives for the reconstruction of cleft palates, and tissue engineering an alternative treatment for this condition. This study has the purpose of evaluating the use of enhanced polypropylene mesh with MSC (mesenchymal stem cell) and fibrin sealant in an experimental model of cleft palate repair in pigs, assessing the healing of mucosal tissue and bone of the hard palate. Thus, the objective is to develop a new technique for reconstruction of cleft palates based on tissue engineering. The study was conducted in two stages, one in vitro and another in vivo. The project in vitro evaluated two MSC cultivation techniques in different culture plates using two types of polypropylene meshes (macroporous and microporous) over a period of fifteen days, to get the best conditions for interaction between the screen and the cells. In all forms of cultivation were MSC adhesions; however the best protocol was the microporous screen in the seven days of culture plates and without methacrylate. For the in vivo study, we used 12 pigs, divided into four equal groups: group using only polypropylene mesh (GT); polypropylene mesh associated with MSC and fibrin sealant (GTCF); polypropylene mesh associated with MSC (GTC); polypropylene mesh and fibrin sealant (GTF). In all animals was performed cleft palate and graft placement as each group. The pigs were evaluated for the presence of inflammation, scarring and wound dehiscence in the palatal implant. After fifteen days the animals were euthanized and palates assessed by histology staining by HE and Sirius Red. The polypropylene mesh associated with MSC proved to be the best, among others protocols studied in this work, to cleft palate correction. Provided complete bone healing and oral and nasal mucosa in a period of fifteen days, proving to be a new safe and effective technique, having a significant potential for cleft palate correction.

A terapia celular utilizando células tronco-mesenquimais (MSCs) surge como alternativa para o tratamento das doenças inflamatórias intestinais (DII). Atualmente, os métodos terapêuticos consistem principalmente na utilização de fármacos que visam produzir e manter estados de remissão da colite ulcerativa e, muitas vezes, apresentam efeitos colaterais. Considerando a capacidade de modular células do sistema imune e de regenerar tecidos doentes, as MSCs podem ser consideradas uma alternativa para o tratamento de DII, como a colite ulcerativa. Além disso, muito tem se investigado a respeito do homing de MSCs exógenas infundidas por diversas vias em resposta a um insulto inflamatório e tem-se visto a capacidade de migração para tecidos afetados. A primeira etapa do trabalho consistiu na caracterização e desenvolvimento do modelo animal de colite ulcerativa aguda. Para isso, foram testados diferentes pesos moleculares e concentrações do reagente Dextran Sulfato de Sódio (DSS), a fim de verificar qual o melhor método de indução da doença. Após determinar o adequado modelo animal, que utilizou 2% DSS (36 000 – 50 000 Da), foi iniciado o experimento de terapia celular. Na tentativa de compreender como as MSCs podem influenciar a inflamação intestinal, o estudo avaliou o efeito do transplante de MSCs derivadas do tecido adiposo em duas diferentes vias de infusão, intraperitoneal e intravenosa, em modelo murino experimental de colite aguda. Foram avaliados os seguintes parâmetros: atividade clínica da doença, aspecto macroscópico e histopatológico do cólon, dosagem de citocinas inflamatórias, taxas de apoptose e parâmetros de estresse oxidativo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que o transplante celular intravenoso melhorou a severidade clínica de colite, como perda de peso, diarreia e presença de sangue nas fezes. Na avaliação histológica, observou-se a diminuição da inflamação colônica através da redução de perda de criptas e de infiltração de células inflamatórias. Ainda, os fatores secretados pelas MSCs parecem poder reduzir os níveis de IL-6 e aumentar os níveis de IL-10 e IL-4 do soro. Um aumento de células apoptóticas foi observado nos animais tratados com MSCs por via intravenosa, sugerindo que as MSCs induzem morte celular em células T resistentes à apoptose. Além disso, a terapia intravenosa foi capaz de aumentar os níveis de glutationa reduzida, um importante antioxidante natural, revertendo o dano causado pelo estresse oxidativo no cólon. Em conjunto, nossos resultados demonstram que a melhor via para a terapia celular na colite ulcerativa foi a intravenosa e que o tratamento proposto foi eficaz no que se refere à redução da inflamação do cólon. / Mesenchymal stem cell (MSC) therapy is an alternative for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD). Currently, therapeutic methods consist primarily on the use of drugs which aim to produce and maintain state of ulcerative colitis remission and often present side effects. Considering the ability to modulate the immune system cells and regenerate injuried tissues, MSCs can be considered an alternative for treating IBD, such as ulcerative colitis. Moreover, there is many research investigating the homing of exogenous MSCs infused through different routes in response to an inflammatory insult, and has demonstrated the migration capacity of these cells into the affected tissues. The first stage of this study consisted in the characterization and development of acute animal model of ulcerative. For this, different molecular weights and concentrations of Dextran Sulfate Sodium (DSS) reagent were tested in order to verify the best method for disease induction. After determining the appropriate animal model, that uses 2% DSS (36000-50000 Da), the cell therapy experiment was initiated. In an attempt to understand how MSCs can influence intestinal inflammation, the study evaluated the effect of MSCs transplantation using two different infusion routes, intraperitoneal and intravenous, in an acute colitis murine model. The following parameters were evaluated: clinical disease activity, colon macroscopic and histological analysis, serum inflammatory cytokine, determination apoptosis rates and oxidative stress parameters. Results show that MSC intravenous transplantation has improved the clinical severity of colitis, such as weight loss, diarrhea, and blood stool. Histological evaluation demonstrated a decreased colonic inflammation by reducing colonic crypt loss and infiltration of inflammatory cells. Also, MSCs secreted factors which seem to reduce levels of IL-6 and increase levels of IL-10 and IL-4 in the serum. In addition, an increase of apoptotic cells was observed in animals treated with intravenous MSCs, suggesting that MSCs induce cell death in T cells resistant to apoptosis. Furthermore, intravenous therapy was able to increase the levels of reduced glutathione, an important natural antioxidant, reversing the damage caused by oxidative stress in the colon. Taken together, our results demonstrate that the best route for cell therapy in ulcerative colitis was intravenous and the proposed treatment was effective with regards to reducing colon inflammation.

Introdução: O fígado é um órgão chave na manutenção da homeostasia corpórea e o transplante hepático ainda continua sendo o padrão-ouro no tratamento da insuficiência hepática aguda. A falta de doadores tem favorecido o desenvolvimento da terapia celular. Células derivadas de medula óssea podem se diferenciar em células tipo-hepatócitos em menos de 24 horas e a comunicação através de vesículas extracelulares (VEs) é um dos mecanismos propostos para explicar essa capacidade. Muitos estudos têm demonstrado que as células-tronco mesenquimais (CTMs) da medula tem alta plasticidade para se diferenciar em hepatócitos, mas os protocolos normalmente utilizados levam entre 7 e 28 dias. Objetivo: Analisar a capacidade de diferenciação das CTMs da medula em se tornar uma célula tipo-hepatócito através do mecanismo de comunicação celular por VEs em cultura (6 e 24 horas). Materiais e métodos: Para avaliar o efeito de hepatócitos primários isolados de ratos saudáveis e lesados com CCl4 na diferenciação das CTMs foi utilizado um sistema de co-cultivo com insertos que não permitem o contato entre as células colocando as CTMs na câmera superior e os hepatócitos na câmera inferior do sistema. Meio condicionado de hepatócitos com lesão foi utilizado para avaliar a capacidade das CTMs de capturar VEs e se diferenciar em célula-tipo hepatócito. Os marcadores de célula tipo-hepatócito avaliados foram expressão gênica (alfa fetoproteina, albumina e citoqueratina-18), armazenamento de glicogênio e liberação de ureia. Para rastrear VEs, hepatócitos de ratos lesados foram marcados com PKH-26. As VEs foram obtidas por ultracentrifugação do sobrenadante e analisadas por citometria de fluxo. Hepatócitos e CTMs também foram analisados por citometria de fluxo na busca de marcação positiva. Resultados: CTMs co-cultivadas durante 6 e 24 horas com hepatócitos não apresentaram expressão de genes hepáticos, mesmo quando expostas a um ambiente de lesão. Os ensaios funcionais confirmaram a falta de sinais de diferenciação, sendo que não foi observado armazenamento de glicogênio nem liberação de ureia nas CTMs. Um achado interessante foi que ao analisar o sobrenadante da câmera superior do sistema de co-cultivo, não foram achadas VEs marcadas com PKH-26 nem CTMs com rastros do marcador. Por outro lado, os experimentos utilizando meio condicionado mostraram que as CTMs têm capacidade de capturar VEs. A citometria de fluxo mostrou que às 6 horas e 24 horas respetivamente 2,28% e 3,97% das CTMs eram positivas para o marcador PKH-26. Quando analisadas no microscópio de fluorescência, foram vistos pontos vermelhos nas CTMs alguns dos quais parecem carregar a proteína albumina. Porém a expressão gênica e analise de ureia não se adequaram a um perfil de célula tipo-hepatócito. Conclusões: O sistema de co-cultivo não foi adequado para permitir a transferência e comunicação através de VEs entre hepatócitos e CTMs sendo que as VEs não conseguem atingir a câmara superior. Os experimentos com meio condicionado sugerem que as CTMs têm capacidade de capturar VEs derivadas de hepatócitos, porém a captação não conduz ao desenvolvimento de um perfil de célula tipo-hepatócito em 6 e 24 horas. São necessários mais estudos para esclarecer a dinâmica de transferência das VEs e suas consequências em longo prazo. / Introduction: Liver is a key organ for corporeal homeostasis maintenance and whole organ replacement still remains the gold standard procedure to treat acute liver failure. Shortage of liver donor has promoted the increase on cell-therapy research. Bone marrow (BM) derived cell have shown potential for differentiation into hepatocyte-like cells in a short time and extracellular vesicles communication (EVs) is one of the proposed mechanisms. Plasticity of bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) is extensively supported by scientific literature but protocols applied to differentiation usually take from 7 to 28 days. Objective: To analyze in vitro differentiation potential of BM-MSCs into hepatocyte-like cells through EVs transfer mechanism in 6 and 24 hours. Materials and Methods: Co-culture system with cell-impermeable inserts and conditioned medium experiments were used to explore the effects of healthy and CCl4-injured hepatocytes, over BM-MSCs differentiation. Assessment of hepatocyte-like cell profile on BM-MSCs was revealed by gene expression (alpha fetoprotein, albumin and cytokeratin-18), glycogen storage and urea release. Hepatocytes from CCl4-injured rats were labeled by PKH-26 to track EVs. Ultracentrifugation was used to isolate EVs from supernatant medium of the two chamber of the co-culture system. PKH-26 positive EVs and PKH-26 positive cells were revealed by flow cytometry analysis and fluorescent microscopy. BM-MSCs cultured with conditioned medium were stained with ALB-FITC antibody. Results: Co-cultured BM-MSCs for 6 and 24 hours, showed no expression of hepatocyte-like genes, even after exposure to damaged microenvironment. Functional assays confirm the lack of differentiation signs there were no glycogen storage or urea release. Interestingly, EVs traffic analysis revealed no PKH-26 positive EVs at the upper chamber of co-culture system and no positive BM-MSCs were found either. On the other hand, conditioned medium experiment showed that BM-MSCs could uptake EVs. Flow cytometry analysis showed positive PKH-26 BM-MSCs at 6 (2.28%) and 24 (3.97%) hours. Flourescence microscopy revealed red points into BM-MSCs and immunofluorescence suggest that some EVs contain albumin. Gene expression and urea assay of BM-MSCs were not in accordance with a hepatocyte-like profile. Conclusions: Co-culture system, by using cell-impermeable membrane, was not adequate to promote EVs transfer between hepatocyte and BM-MSCs since EVs do not pass from the lower to the upper chamber. Conditioned medium experiments can suggest that BM-MSCs could uptake hepatocyte-derived EVs but this not drive to a hepatocyte-like profile in a short period of time. More studies will be necessary to clarify the dynamic of EVs transfer and their long time effects.

Orientadora: Profa. Dra. Marcela Sorelli Carneiro Ramos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Biossistemas, 2014. / A ativação de fatores inflamatórios em um quadro de insuficiência renal isquêmica pode afetar outros órgãos, como o coração. Esses fatores lesionam o tecido cardíaco que, então, sofre um remodelamento, com a hipertrofia dos cardiomiócitos e pode evoluir para a hipertrofia cardíaca. O desenvolvimento de pesquisas com células-tronco demonstram que estas células secretam fatores que protegem o tecido cardíaco da injúria, modulam fatores inflamatórios e diminuem a formação de fibrose, o que despertou o interesse pelo seu uso em terapias para algumas cardiopatias. Este projeto teve como intuito avaliar as alterações ocasionadas pela introdução de células-tronco em modelos de hipertrofia cardíaca, devido um quadro de insuficiência renal. Para isso, camundongos C57BL/6 foram submetidos à oclusão unilateral do pedículo renal esquerdo por 60 minutos, com a aplicação de células-tronco mesenquimais via plexo retro-orbital um dia após a cirurgia. Os corações e rins dos modelos animais foram caracterizados por meio de estudos morfológicos. Os resultados obtidos demonstraram que as células-tronco preveniram o desenvolvimento da hipertrofia cardíaca, uma vez que não se verificou o aumento de massa, aumento de volume ou diminuição do lúmen do ventrículo esquerdo dos animais que receberam uma aplicação dessas células. Além disso, verificou-se também uma ação moduladora das células-tronco nos rins direitos, que não apresentaram um aumento de massa ou volume. No entanto, nenhum dado obtido demonstrou uma ação protetora dessas células nos rins esquerdos, diretamente afetados pela cirurgia de indução de lesão isquêmica. Logo, pela primeira vez, foi demonstrado que a aplicação de células-tronco mesenquimais preveniu o desenvolvimento da hipertrofia nos grupo tratados. / Activation of inflammatory factors in ischemic renal failure condition affects other organs as well as the heart. The inflammatory factors injure the cardiac tissue, modulating heart trophism with cardiomyocytes hypertrophy and this pathologic condition may progress to cardiac hypertrophy. Development of stem cell research has shown that it secrete factors that protect cardiac tissue of the injury, modulate inflammatory factors and decreases fibrosis. These discoveries have motivated studies with stem cells in cardiac diseases. This study aimed to evaluate the morphological alterations caused by the stem cells introduction on renal ischemia/reperfusion induced cardiac hypetrophy models. To analyze the stem cell effect at this model, C57BL/6 mice were subjected to unilateral occlusion of left renal pedicle for 60 minutes and one day after surgical procedures mesenchymal stem cells were applied via retro orbital sinus. Hearts and kidneys of the animal models were characterized by morphological study. and, for the first time, we evidenced that mesenchymal stem cells treatment prevents the renal ischemia/reperfusion induced cardiac hypertrophy. The results evidenced the stem cell capacity to prevent cardiac hypertrophy development, since there were no mass increase, volume increase or decrease of left ventricular lumen area on animals that received a stem cells injection. Moreover, it was verified a modulating capacity of stem cells on right kidneys that didn't presented increase in mass or volume. However, no data indicated a protective role of these cells in the left kidneys. Thus, for the first time, we evidenced that mesenchymal stem cells treatment prevents the renal ischemia/reperfusion induced cardiac hypertrophy.

L'essor des thérapies régénératives au cours des 10 dernières années a entraîné un effort de recherche important, mais l'obtention des cellules souches humaines en quantité suffisante reste cependant encore problématique, notamment concernant les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Ces travaux ont donc mis en œuvre une approche à la croisée de la biologie et du génie des procédés afin d'identifier les verrous limitant la croissance des CSM. L'étude des méthodes d'intensification de culture a été entreprise grâce à l'utilisation de microporteurs et d'une plateforme de minibioréacteurs de 200~mL. Puis le développement d'un milieu de culture sans sérum a été testé dans le but de maximiser la croissance cellulaire dans des conditions biochimiques contrôlées. Les CSM humaines en tant que modèle type en thérapie cellulaire ont été démontrées comme extrêmement sensibles aux phases de congélation/décongélation, aux variations de température, à un vieillissement prématuré et nécessitant un milieu de culture complexe riche en facteurs de croissance et d'adhérence. Suite à cette étude, plusieurs écueils pourront être évités lors de la montée en échelle d'un procédé de culture de CSM afin d'intégrer leurs paramètres biologiques intrinsèques aux paramètres d'ingénierie des bioréacteurs (transfert de chaleur, contraintes hydrodynamiques, surface d'adhérence) / Progress in regenerative medicines over the past ten years have led to an important research mobilisation, but obtaining a sufficient amount of human stem cells remains nonetheless problematic, especially for mesenchymal stem cells (MSC). Hence, this work developed an approach coupling biology and process engineering to identify barriers limiting MSC growth. The study of scaled-up amplification methods was performed using microcarriers and a 200~mL minibioreactors platform. In order to maximise MSC growth in a biochemically controlled environment, a serum free medium development was tested as well. Human MSC as model cell type for cellular therapies have thus been demonstrated as extremely sensitive to freeze/thaw cycles, temperature variations, subject to premature aging and needing a complex medium enriched in multiple growth and adherence factors. Following this study, several pitfalls might be avoided during MSC process scale-up by integrating the cells biology into the bioreactors' process engineering parameters (heat transfer, hydrodamic stress, adhesion surface)

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have been identified as a promising cell-based therapy candidate to treat a number of unmet clinical indications, however, in vitro expansion will be required to increase the available number of cells and meet this demand. Scalable manufacturing processes, amenable to closed, single-use and automated technology, must therefore be developed in order to produce safe, effective and affordable hMSC therapies. To address this challenge, a controlled serum-free end-to-end microcarrier process has been developed for hMSCs, which is amenable to large-scale manufacture and therefore increasing economies of scale. Preliminary studies in monolayer culture assessed the level of variability in growth between five hMSC donors, which was found to have a variance of 25.3 % after 30 days in culture. This variance was subsequently reduced to 4.5% by the development of a serum-free monolayer culture process with the maintenance of critical hMSC characteristics and an increased number of population doublings. In order to transfer this into a scalable system, the serum and serum-free expansion processes were transferred into suspension by the addition of plastic microcarriers in 100 mL spinner flasks without control of pH or dissolved oxygen (DO). This achieved a maximum cell density of 0.08 ± 0.01 · 106 cells.mL-1 in FBS-based medium, 0.12 ± 0.01 · 106 cells.mL-1 in HPL-based medium and 0.27 ± 0.03 · 106 cells.mL-1 in serum free medium after six days. In order to drive consistency and yield into the manufacturing process, a process control system was developed for the FBS-based microcarrier expansion process in a 100 mL DASbox bioreactor platform to control DO, pH, impeller rate and temperature. Reduced impeller rates and DO concentrations were found to be beneficial, with a final cell density of 0.11 ± 0.02 · 106 cells.mL-1 and improved post-harvest outgrowth and colony-forming unit (CFU) potential compared to uncontrolled microcarrier and monolayer culture. This controlled bioreactor expansion process was then applied to the previously developed serum-free microcarrier process, eventually achieving a final cell density of 1.04 ± 0.07 · 106 cells.mL-1, whilst retaining key post-harvest hMSC characteristics. Following the controlled serum-free expansion and harvest of hMSCs, a downstream and cryopreservation process was developed to assess the impact of prolonged holding times and subsequent unit-operations on hMSC quality characteristics. This showed that hMSCs are able to maintain key characteristics throughout the entire end-to-end process, demonstrating their potential for commercial scale manufacture.

Introdução: O fígado é um órgão chave na manutenção da homeostasia corpórea e o transplante hepático ainda continua sendo o padrão-ouro no tratamento da insuficiência hepática aguda. A falta de doadores tem favorecido o desenvolvimento da terapia celular. Células derivadas de medula óssea podem se diferenciar em células tipo-hepatócitos em menos de 24 horas e a comunicação através de vesículas extracelulares (VEs) é um dos mecanismos propostos para explicar essa capacidade. Muitos estudos têm demonstrado que as células-tronco mesenquimais (CTMs) da medula tem alta plasticidade para se diferenciar em hepatócitos, mas os protocolos normalmente utilizados levam entre 7 e 28 dias. Objetivo: Analisar a capacidade de diferenciação das CTMs da medula em se tornar uma célula tipo-hepatócito através do mecanismo de comunicação celular por VEs em cultura (6 e 24 horas). Materiais e métodos: Para avaliar o efeito de hepatócitos primários isolados de ratos saudáveis e lesados com CCl4 na diferenciação das CTMs foi utilizado um sistema de co-cultivo com insertos que não permitem o contato entre as células colocando as CTMs na câmera superior e os hepatócitos na câmera inferior do sistema. Meio condicionado de hepatócitos com lesão foi utilizado para avaliar a capacidade das CTMs de capturar VEs e se diferenciar em célula-tipo hepatócito. Os marcadores de célula tipo-hepatócito avaliados foram expressão gênica (alfa fetoproteina, albumina e citoqueratina-18), armazenamento de glicogênio e liberação de ureia. Para rastrear VEs, hepatócitos de ratos lesados foram marcados com PKH-26. As VEs foram obtidas por ultracentrifugação do sobrenadante e analisadas por citometria de fluxo. Hepatócitos e CTMs também foram analisados por citometria de fluxo na busca de marcação positiva. Resultados: CTMs co-cultivadas durante 6 e 24 horas com hepatócitos não apresentaram expressão de genes hepáticos, mesmo quando expostas a um ambiente de lesão. Os ensaios funcionais confirmaram a falta de sinais de diferenciação, sendo que não foi observado armazenamento de glicogênio nem liberação de ureia nas CTMs. Um achado interessante foi que ao analisar o sobrenadante da câmera superior do sistema de co-cultivo, não foram achadas VEs marcadas com PKH-26 nem CTMs com rastros do marcador. Por outro lado, os experimentos utilizando meio condicionado mostraram que as CTMs têm capacidade de capturar VEs. A citometria de fluxo mostrou que às 6 horas e 24 horas respetivamente 2,28% e 3,97% das CTMs eram positivas para o marcador PKH-26. Quando analisadas no microscópio de fluorescência, foram vistos pontos vermelhos nas CTMs alguns dos quais parecem carregar a proteína albumina. Porém a expressão gênica e analise de ureia não se adequaram a um perfil de célula tipo-hepatócito. Conclusões: O sistema de co-cultivo não foi adequado para permitir a transferência e comunicação através de VEs entre hepatócitos e CTMs sendo que as VEs não conseguem atingir a câmara superior. Os experimentos com meio condicionado sugerem que as CTMs têm capacidade de capturar VEs derivadas de hepatócitos, porém a captação não conduz ao desenvolvimento de um perfil de célula tipo-hepatócito em 6 e 24 horas. São necessários mais estudos para esclarecer a dinâmica de transferência das VEs e suas consequências em longo prazo. / Introduction: Liver is a key organ for corporeal homeostasis maintenance and whole organ replacement still remains the gold standard procedure to treat acute liver failure. Shortage of liver donor has promoted the increase on cell-therapy research. Bone marrow (BM) derived cell have shown potential for differentiation into hepatocyte-like cells in a short time and extracellular vesicles communication (EVs) is one of the proposed mechanisms. Plasticity of bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) is extensively supported by scientific literature but protocols applied to differentiation usually take from 7 to 28 days. Objective: To analyze in vitro differentiation potential of BM-MSCs into hepatocyte-like cells through EVs transfer mechanism in 6 and 24 hours. Materials and Methods: Co-culture system with cell-impermeable inserts and conditioned medium experiments were used to explore the effects of healthy and CCl4-injured hepatocytes, over BM-MSCs differentiation. Assessment of hepatocyte-like cell profile on BM-MSCs was revealed by gene expression (alpha fetoprotein, albumin and cytokeratin-18), glycogen storage and urea release. Hepatocytes from CCl4-injured rats were labeled by PKH-26 to track EVs. Ultracentrifugation was used to isolate EVs from supernatant medium of the two chamber of the co-culture system. PKH-26 positive EVs and PKH-26 positive cells were revealed by flow cytometry analysis and fluorescent microscopy. BM-MSCs cultured with conditioned medium were stained with ALB-FITC antibody. Results: Co-cultured BM-MSCs for 6 and 24 hours, showed no expression of hepatocyte-like genes, even after exposure to damaged microenvironment. Functional assays confirm the lack of differentiation signs there were no glycogen storage or urea release. Interestingly, EVs traffic analysis revealed no PKH-26 positive EVs at the upper chamber of co-culture system and no positive BM-MSCs were found either. On the other hand, conditioned medium experiment showed that BM-MSCs could uptake EVs. Flow cytometry analysis showed positive PKH-26 BM-MSCs at 6 (2.28%) and 24 (3.97%) hours. Flourescence microscopy revealed red points into BM-MSCs and immunofluorescence suggest that some EVs contain albumin. Gene expression and urea assay of BM-MSCs were not in accordance with a hepatocyte-like profile. Conclusions: Co-culture system, by using cell-impermeable membrane, was not adequate to promote EVs transfer between hepatocyte and BM-MSCs since EVs do not pass from the lower to the upper chamber. Conditioned medium experiments can suggest that BM-MSCs could uptake hepatocyte-derived EVs but this not drive to a hepatocyte-like profile in a short period of time. More studies will be necessary to clarify the dynamic of EVs transfer and their long time effects.

A terapia celular utilizando células tronco-mesenquimais (MSCs) surge como alternativa para o tratamento das doenças inflamatórias intestinais (DII). Atualmente, os métodos terapêuticos consistem principalmente na utilização de fármacos que visam produzir e manter estados de remissão da colite ulcerativa e, muitas vezes, apresentam efeitos colaterais. Considerando a capacidade de modular células do sistema imune e de regenerar tecidos doentes, as MSCs podem ser consideradas uma alternativa para o tratamento de DII, como a colite ulcerativa. Além disso, muito tem se investigado a respeito do homing de MSCs exógenas infundidas por diversas vias em resposta a um insulto inflamatório e tem-se visto a capacidade de migração para tecidos afetados. A primeira etapa do trabalho consistiu na caracterização e desenvolvimento do modelo animal de colite ulcerativa aguda. Para isso, foram testados diferentes pesos moleculares e concentrações do reagente Dextran Sulfato de Sódio (DSS), a fim de verificar qual o melhor método de indução da doença. Após determinar o adequado modelo animal, que utilizou 2% DSS (36 000 – 50 000 Da), foi iniciado o experimento de terapia celular. Na tentativa de compreender como as MSCs podem influenciar a inflamação intestinal, o estudo avaliou o efeito do transplante de MSCs derivadas do tecido adiposo em duas diferentes vias de infusão, intraperitoneal e intravenosa, em modelo murino experimental de colite aguda. Foram avaliados os seguintes parâmetros: atividade clínica da doença, aspecto macroscópico e histopatológico do cólon, dosagem de citocinas inflamatórias, taxas de apoptose e parâmetros de estresse oxidativo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que o transplante celular intravenoso melhorou a severidade clínica de colite, como perda de peso, diarreia e presença de sangue nas fezes. Na avaliação histológica, observou-se a diminuição da inflamação colônica através da redução de perda de criptas e de infiltração de células inflamatórias. Ainda, os fatores secretados pelas MSCs parecem poder reduzir os níveis de IL-6 e aumentar os níveis de IL-10 e IL-4 do soro. Um aumento de células apoptóticas foi observado nos animais tratados com MSCs por via intravenosa, sugerindo que as MSCs induzem morte celular em células T resistentes à apoptose. Além disso, a terapia intravenosa foi capaz de aumentar os níveis de glutationa reduzida, um importante antioxidante natural, revertendo o dano causado pelo estresse oxidativo no cólon. Em conjunto, nossos resultados demonstram que a melhor via para a terapia celular na colite ulcerativa foi a intravenosa e que o tratamento proposto foi eficaz no que se refere à redução da inflamação do cólon. / Mesenchymal stem cell (MSC) therapy is an alternative for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD). Currently, therapeutic methods consist primarily on the use of drugs which aim to produce and maintain state of ulcerative colitis remission and often present side effects. Considering the ability to modulate the immune system cells and regenerate injuried tissues, MSCs can be considered an alternative for treating IBD, such as ulcerative colitis. Moreover, there is many research investigating the homing of exogenous MSCs infused through different routes in response to an inflammatory insult, and has demonstrated the migration capacity of these cells into the affected tissues. The first stage of this study consisted in the characterization and development of acute animal model of ulcerative. For this, different molecular weights and concentrations of Dextran Sulfate Sodium (DSS) reagent were tested in order to verify the best method for disease induction. After determining the appropriate animal model, that uses 2% DSS (36000-50000 Da), the cell therapy experiment was initiated. In an attempt to understand how MSCs can influence intestinal inflammation, the study evaluated the effect of MSCs transplantation using two different infusion routes, intraperitoneal and intravenous, in an acute colitis murine model. The following parameters were evaluated: clinical disease activity, colon macroscopic and histological analysis, serum inflammatory cytokine, determination apoptosis rates and oxidative stress parameters. Results show that MSC intravenous transplantation has improved the clinical severity of colitis, such as weight loss, diarrhea, and blood stool. Histological evaluation demonstrated a decreased colonic inflammation by reducing colonic crypt loss and infiltration of inflammatory cells. Also, MSCs secreted factors which seem to reduce levels of IL-6 and increase levels of IL-10 and IL-4 in the serum. In addition, an increase of apoptotic cells was observed in animals treated with intravenous MSCs, suggesting that MSCs induce cell death in T cells resistant to apoptosis. Furthermore, intravenous therapy was able to increase the levels of reduced glutathione, an important natural antioxidant, reversing the damage caused by oxidative stress in the colon. Taken together, our results demonstrate that the best route for cell therapy in ulcerative colitis was intravenous and the proposed treatment was effective with regards to reducing colon inflammation.