Introduction It is well known that resident adipose stem/stromal cells (ASCs) are a heterogeneous population of multipotent cells characterized by (a) their ability to adhere to plastic; (b) immunophenotypic expression of certain cell surface markers, while lacking others; and (c) the capacity to differentiate into cells of mesodermal origin including osteocytes, chondrocytes and adipocytes. Adipose derived stromal cells offer great therapeutic potential in multiple medical fields, including, orthopedics, cardiology, oncology and degenerative diseases, to name a few. Combining different disciplines of medicine and engineering, organ and tissue repair can be achieved through tissue engineering and regenerative medicine. Adipose derived stromal cells (ASCs) can be utilized as biological vehicles for vector-based gene delivery systems, since they home to sites of inflammation and infection in vivo. In order to reach the long-term aim of clinical translation of cell-based therapy, preclinical safety and efficacy need to be shown in animal models. This has motivated the development of standardized isolation, characterization and differentiation operating procedures as well as an in vivo tracking system for ASCs and lentiviral vector transduction for a vector-based gene delivery system. Methodology Human ASCs were isolated from lipoaspirate, expanded in culture, immunophenotyped using flow cytometery and induced to differentiate into adipogenic, osteogenic and chondrogenic lineages. Tri-lineage differentiation was confirmed by microscopy. The ASCs were then transduced with green fluorescent protein (GFP)-expressing lentiviral vectors in vitro. The effect of the GFP lentiviral vector on ASCs was investigated by studying ASC immunophenotypic expression of surface markers as well as their capacity to differentiate into osteocytes, chondrocytes and adipocytes. Results The isolated and expanded cell population, from harvested lipoaspirate adhered to recommended ASC identity criteria. The heterogeneity of ASCs was confirmed by the presence of sub-populations. Transduction efficiency in ASC cultures of approximately 80% was observed after introducing a total of 300 μl of concentrated lentiviral vector suspension per 4.8 x 104 cells. No immunophenotypic differences were observed between GFP positive and GFP negative cultures. Flow cytometric analysis revealed a progressive increase in GFP expression following in vitro expansion of transduced ASCs. Both non-transduced and transduced cultures successfully differentiated into osteocytes, chondrocytes and adipocytes. Conclusion The isolated and expanded cell population conformed to the recommended characterization criteria. Heterogeneity was demonstrated with the identification of immunophenotypic sub-populations and semi-quantification of adipogenesis was performed. ASCs were efficiently transduced using the GFP lentiviral vectors produced in our facility. In addition, transduced ASCs maintained adherence to plastic, ASC immunophenotype and were able to differentiate successfully into cells of the three lineages of mesodermal origin. This optimized GFP-ASC transduction technique offers a feasible tracking system as well as a vector-based gene delivery system for future preclinical studies. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2015. / tm2015 / Immunology / MSc / Unrestricted

Huntington's disease (HD) is inherited fatal disorder caused by CAG triplet expansions in the huntingtin gene resulting in the expression of mutated huntingtin protein (mtHtt). The main symptoms of HD are neurodegeneration, osteoporosis, testicular degeneration, loss of muscle tissue and heart muscle malfunction, weight loss, metabolic changes, and sleeping disturbances. Since huntingtin protein (Htt) has a role in several biological processes, many molecular mechanisms, like oxidative stress, mitochondrial dysfunction, DNA-damage, and others, are affected by mtHtt. However, its exact pathogenic mechanisms in HD are still not well understood. Transgenic minipig model of HD (TgHD) serves an opportunity to isolate unlimited number of primary cells and unlike primary cells obtained from HD patients, often in the late stages of the disease, the TgHD minipig model allows to monitor molecular changes occurring gradually with age and progression of the disease. Thus, TgHD minipig model and primary cells isolated from it play an important role in investigating and understanding the underlying mechanistic cause of HD. We focused on molecular and cellular changes in primary cells isolated from TgHD minipigs and their wild type (WT) controls at different ages (24, 36, and 48 months). In mesenchymal stem cells...

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23770号 / 医博第4816号 / 新制||医||1056(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 長船 健二, 教授 安達 泰治, 教授 遊佐 宏介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération du tissu hématopoïétique. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent encore inconnus, ce qui limite le développement de nouvelles approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle murin de prise de greffe, nos résultats démontrent que l’endommagement du microenvironnement par l’irradiation a un impact limitant sur le nichage hématopoïétique. Parce que le microenvironnement est composé principalement de cellules dérivées des cellules souches mésenchymateuses (CSM), nous avons évalué le potentiel des CSM à régénérer le tissu hématopoïétique par la reconstitution de la niche osseuse. Cette thérapie a mené à une augmentation remarquable du nichage hématopoïétique chez les souris irradiées. Les causes moléculaires impliquées dans le nichage hématopoïétiques sont encore inconnues, mais nous avons remarqué l’augmentation de la sécrétion de la cytokine « granulocyte-colony stimulating factor » (G-CSF) dans l’espace médullaire suite à l’irradiation. Le G-CSF est impliqué dans la mobilisation cellulaire et est fort possiblement nuisible à une prise de greffe. Nous avons évalué le potentiel d’une thérapie à base de CSM sécrétant le récepteur soluble du G-CSF afin de séquestrer le G-CSF transitoirement et les résultats obtenus démontrent que le blocage du G-CSF favorise le nichage hématopoïétique. Globalement, les données présentées dans ce mémoire démontrent que le microenvironnement osseux et le niveau de G-CSF dans la moelle sont importants dans le processus de nichage hématopoïétique et que la baisse du potentiel de régénération du tissu hématopoïétique suite à l’irradiation peut être renversée à l’aide d’une thérapie cellulaire de CSM génétiquement modifiées ou non. / Cancer treatment using ionizing radiation may lead to significant side effects, including delayed hematopoietic tissue repair and regeneration. The mechanisms mediating these defects remain unknown, thus limiting the development of new therapeutic approaches. Using a mouse engraftment model, our results show that microenvironment damage by irradiation limits hematopoietic homing. Since the microenvironment is mainly composed of mesenchymal stem cells (MSCs)-derived cells, we evaluated the potential of MSCs to improve hematopoietic tissue regeneration by bone marrow niche reconstitution. This therapy led to remarkable enhancement of hematopoietic homing in irradiated mice. The molecular causes involved in hematopoietic homing remain unknown, but we noticed an increased in “granulocyte-colony stimulating factor” (G-CSF) secretion within the medullary space after irradiation. G-CSF is involved in cellular mobilization and may possibly be harmful to engraftment. We evaluated the therapeutical potential of MSC genetically-engineered to secrete a soluble G-CSF decoy receptor that would transiently sequester G-CSF. Results obtained show that G-CSF blocking improved hematopoietic homing. Overall, the findings presented in this thesis indicate that bone marrow microenvironment and G-CSF levels are important in hematopoietic homing process, and that the decline in hematopoietic tissue regeneration potential following irradiation can be reversed by cellular therapy using MSC genetically modified or not.

Les vésicules extracellulaires nanométriques (nEVs) issues de cellules souches mésenchymateuses (CSMs) et les nanovésicules synthétiques sont au centre de nombreuses recherches pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques en médecine régénérative. La mise en place d’une méthode standardisée pour isoler les nEVs à partir de milieu conditionné de CSMs et de pouvoir les caractériser a été nécessaire. Nous nous sommes concentrés sur leur taille qui se situe entre 30 et 150 nm ainsi que la présence de certains de leur marqueurs membranaires (CD9, CD63 et CD81). Durant ce travail, deux méthodes d’isolement ont été testées. Les résultats obtenus par les analyses physiques (Nanosight®, microscopie électronique à transmission) et biologiques (cytométrie en flux) des différents échantillons ont permis de standardiser la méthode d’isolement des nEVs par centrifugations et ultracentrifugations successives. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de ces nEVs sécrétées par les CSMs en culture cellulaire. Il a été mis en évidence que des interactions existent entre ces nEVs et des cellules endothéliales (CEs) in vitro. Ces interactions vont entraîner des modifications dans le comportement cellulaire des CEs en augmentant leur potentiel de formation de réseaux vasculaires. En parallèle de ces travaux sur les nEVs, une étude a été réalisée sur l’utilisation de nanovésicules synthétiques, des nanoliposomes (NLPs), élaborées à partir de lécithine d’agro-ressource (saumon) comme transporteur de TGF-ß1 pour une application en médecine régénérative. Après leur caractérisation physico-chimique, cette étude préliminaire a montré que ces NLPs ne présentent pas de cytotoxicité pour les CSMs in vitro. Il existe un potentiel important d’utilisation des nEVs de CSMs ainsi des NLPs pour développer de nouvelles stratégies innovantes en thérapie « cell-free » dans le domaine de la médecine régénérative / Nanoscale extracellular vesicles (nEVs) derived from mesenchymal stem cells (MSCs) and synthetic nanovesicles are at the centre of many research studies for the development of new therapeutic strategies in regenerative medicine. A standardized method was used to isolate nEVs from conditioned media of CSMs and to characterize them. We focused on their size with a range of 30 to 150 nm and the presence of some of their membrane markers (CD9, CD63 and CD81). During this work, two isolation methods were tested. The results obtained by the physical (Nanosight®, transmission electron microscopy) and biological (flow cytometry) analyses of the different samples allowed to standardize the method of isolation of the nEVs by successive centrifugation and ultracentrifugation. Then, we studied the use of these nEVs derived from MSCs in cell culture. Interactions between these nEVs and endothelial cells (ECs) have been demonstrated in vitro. These interactions lead to changes in the cellular behaviour of ECs by increasing their potential to form vascular networks. In parallel of this work on nEVs, we studied the use of synthetic nanovesicles, called nanoliposomes (NLPs) prepared from agro-resource derived lecithin (salmon) as TGF-β1 transporters for applications in regenerative medicine. After their physicochemical characterization, this preliminary study showed that these NLPs do not exhibit cytotoxicity for MSCs in vitro. There is an important potential for the use of nEVs derived from MSCs as well as NLPs to develop new cell-free therapy innovative strategies in the field of regenerative medicine

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération du tissu hématopoïétique. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent encore inconnus, ce qui limite le développement de nouvelles approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle murin de prise de greffe, nos résultats démontrent que l’endommagement du microenvironnement par l’irradiation a un impact limitant sur le nichage hématopoïétique. Parce que le microenvironnement est composé principalement de cellules dérivées des cellules souches mésenchymateuses (CSM), nous avons évalué le potentiel des CSM à régénérer le tissu hématopoïétique par la reconstitution de la niche osseuse. Cette thérapie a mené à une augmentation remarquable du nichage hématopoïétique chez les souris irradiées. Les causes moléculaires impliquées dans le nichage hématopoïétiques sont encore inconnues, mais nous avons remarqué l’augmentation de la sécrétion de la cytokine « granulocyte-colony stimulating factor » (G-CSF) dans l’espace médullaire suite à l’irradiation. Le G-CSF est impliqué dans la mobilisation cellulaire et est fort possiblement nuisible à une prise de greffe. Nous avons évalué le potentiel d’une thérapie à base de CSM sécrétant le récepteur soluble du G-CSF afin de séquestrer le G-CSF transitoirement et les résultats obtenus démontrent que le blocage du G-CSF favorise le nichage hématopoïétique. Globalement, les données présentées dans ce mémoire démontrent que le microenvironnement osseux et le niveau de G-CSF dans la moelle sont importants dans le processus de nichage hématopoïétique et que la baisse du potentiel de régénération du tissu hématopoïétique suite à l’irradiation peut être renversée à l’aide d’une thérapie cellulaire de CSM génétiquement modifiées ou non. / Cancer treatment using ionizing radiation may lead to significant side effects, including delayed hematopoietic tissue repair and regeneration. The mechanisms mediating these defects remain unknown, thus limiting the development of new therapeutic approaches. Using a mouse engraftment model, our results show that microenvironment damage by irradiation limits hematopoietic homing. Since the microenvironment is mainly composed of mesenchymal stem cells (MSCs)-derived cells, we evaluated the potential of MSCs to improve hematopoietic tissue regeneration by bone marrow niche reconstitution. This therapy led to remarkable enhancement of hematopoietic homing in irradiated mice. The molecular causes involved in hematopoietic homing remain unknown, but we noticed an increased in “granulocyte-colony stimulating factor” (G-CSF) secretion within the medullary space after irradiation. G-CSF is involved in cellular mobilization and may possibly be harmful to engraftment. We evaluated the therapeutical potential of MSC genetically-engineered to secrete a soluble G-CSF decoy receptor that would transiently sequester G-CSF. Results obtained show that G-CSF blocking improved hematopoietic homing. Overall, the findings presented in this thesis indicate that bone marrow microenvironment and G-CSF levels are important in hematopoietic homing process, and that the decline in hematopoietic tissue regeneration potential following irradiation can be reversed by cellular therapy using MSC genetically modified or not.

In open angle glaucoma, dysfunction of the trabecular meshwork (TM) results in impaired aqueous humour outflow leading to an elevated intraocular pressure (IOP) that underlies optic nerve damage and irreversible blindness. Currently, no curative treatment is available for the disease. Indeed, most pharmacological and surgical interventions usually provide only temporary relief from elevated IOP while little progress has been made in targeting the root cause of this disease: correcting the dysfunctional TM. In this context, we hypothesized that regeneration/refunctionalization of the TM may represent an effective therapeutic option to halt disease progression or even reverse the pathologic process. We previously demonstrated in a rat model of glaucoma that the injection of mesenchymal stromal cells (MSCs) cultured under hypoxic conditions or their conditioned media (MSC-CM) into laser-damaged TM area results in tissue regeneration. Injection of MSC or conditioned media in our glaucoma model led to activation and proliferation of ocular progenitor cells culminating in TM regeneration and a decrease in IOP. However, the mechanistic basis for this regenerative process remained elusive. Thus, the aim of this thesis is to elucidate the mechanistic basis of MSC secretome-mediated TM regeneration and the subsequent decrease in IOP. We now demonstrate that injection of hypoxic MSC-CM into laser-induced glaucomatous eyes resulted in massive immune cell recruitment. We also demonstrate that these hypoxic MSC-CM conditioned cells produced pro-regenerative factors in vitro and in vivo. Next, employing a proteomic approach, we identified and verified the pro-regenerative effect of several factors secreted by hypoxic MSC-CM recruited cells, which in turn induced the activation/proliferation of ocular progenitor cells leading to TM regeneration and decreased IOP. Upon individual injection of the purified factors into glaucomatous rat eyes, we observed a partial and delayed but significant decrease in IOP that correlated with an increase in the activation and proliferation of neuronal progenitor cells in the TM area. The co-injection of these factors resulted in a significant decrease in IOP compared with individual factor injection. Importantly, this drop in IOP was associated with restoration of retinal functionality, thus demonstrating the importance of these factors in the TM regeneration process and disease control. The findings presented in this thesis provide a novel acellular therapeutic approach for glaucoma treatment via in situ TM regeneration. Moreover, the knowledge gained here could have a lasting impact on how we induce tissue regeneration in other degenerative diseases and lead to novel therapeutic advances in regenerative medicine. / Dans le glaucome à angle ouvert, le dysfonctionnement du trabéculum (TM), un tissu nécessaire à la filtration de l'humeur aqueuse, entraîne une élévation de la pression intraoculaire (PIO). Ceci cause des lésions au niveau du nerf optique et une cécité irréversible. Présentement, aucun traitement curatif n'a été développé pour cette maladie. Nous émettons l'hypothèse que la régénération et re-fonctionnalisation du trabéculum peut représenter une option thérapeutique efficace pour arrêter ou inverser la progression de la maladie dans de nombreux cas de glaucome. Nous avons précédemment démontré les effets régénérateurs des cellules mésenchymateuses (MSCs) et de leurs milieux conditionnés par l'hypoxie (MSC-CM) dans la régénération du TM suite à un dommage par laser. Ce processus a conduit à l'activation et à la prolifération des cellules progénitrices oculaires résultant en une diminution de la PIO dans un modèle de glaucome induit par laser chez le rat. Cependant, la base mécanistique de ce processus de régénération reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette thèse de recherche est d'élucider cette base mécanistique de la régénération du TM médiée par le sécrétome des MSC et la diminution subséquente de la PIO. À cette fin, l'injection de MSC-CM hypoxique dans les yeux glaucomateux induits par laser a entraîné un important recrutement de cellules immunitaires. Sous l’action du MSC-CM, ces cellules produisent des facteurs pro-régénératifs in vitro et in vivo. Ensuite, nous avons utilisé une approche protéomique et vérifié l'effet pro-régénératif des facteurs sécrétés par ces cellules exposées au MSC-CM hypoxique, sur l'activation et la prolifération des cellules progénitrices oculaires et la PIO. Lors de l'injection de ces facteurs chez le rat glaucomateux, nous avons observé une augmentation significative de l'activation et de la prolifération des cellules progénitrices neuronales présentes dans la zone du TM, résultant en une diminution de la PIO. De plus, l’injection combinée de ces facteurs résulte en une diminution synergique importante de la PIO. Cette baisse de la PIO était associée à une restauration de la fonction rétinienne, démontrant ainsi l'importance de ces facteurs dans le processus de régénération du TM et de contrôle de la maladie. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient amener à une nouvelle approche thérapeutique acellulaire pour le traitement du glaucome via la régénération du TM. De plus, les connaissances acquises au cours de cette thèse pourraient avoir un impact durable sur la manière d’aborder la régénération tissulaire dans d'autres maladies dégénératives et amener des avancées thérapeutiques nouvelles en médecine régénératrice

Užití biologických materiálů k náhradě tkání v plastické chirurgii ! Abstrakt v angličtině Background: Biological meshes are biomaterials consisted of extracellular matrix and used in surgery particularly for hernia treatment or thoracic wall reconstruction. They are capable of vascularization, that decreases risk of infection, expecially when used in contaminated fields. This study compared the strength of incorporation and biocompatibility of two porcine-derived grafts (cross-linked and non-cross-linked) in a rat hernia model. In addition, we hypothesized that combination of extracellular matrices with autologous mesenchymal stem cells used for hernia repair would result in increased vascularization and increased strength of incorporation. Methods: Standardized 2 x 4 cm fascial defect was created in 42 Wistar rats and repaired with a cross-linked or a non-cross-linked graft either enriched or non-enriched with stem cells. The rats were sacrificed 3, 6 and 12 months later. The strength of incorporation, vascularization, cellular invasion, foreign body reaction and capsule formation were evaluated. Results: Comparison of stem cell enriched and non-enriched groups showed no significant differences in the capsule thickness, foreign body reaction, cellularization or vascularization. In the non-cross-linked...

Užití biologických materiálů k náhradě tkání v plastické chirurgii ! Abstrakt v angličtině Background: Biological meshes are biomaterials consisted of extracellular matrix and used in surgery particularly for hernia treatment or thoracic wall reconstruction. They are capable of vascularization, that decreases risk of infection, expecially when used in contaminated fields. This study compared the strength of incorporation and biocompatibility of two porcine-derived grafts (cross-linked and non-cross-linked) in a rat hernia model. In addition, we hypothesized that combination of extracellular matrices with autologous mesenchymal stem cells used for hernia repair would result in increased vascularization and increased strength of incorporation. Methods: Standardized 2 x 4 cm fascial defect was created in 42 Wistar rats and repaired with a cross-linked or a non-cross-linked graft either enriched or non-enriched with stem cells. The rats were sacrificed 3, 6 and 12 months later. The strength of incorporation, vascularization, cellular invasion, foreign body reaction and capsule formation were evaluated. Results: Comparison of stem cell enriched and non-enriched groups showed no significant differences in the capsule thickness, foreign body reaction, cellularization or vascularization. In the non-cross-linked...