As células-tronco hematopoéticas (CTHs) e estromais mesenquimais multipotentes (CTMs) isoladas da medula óssea vêm sendo utilizadas como fonte autóloga no tratamento de doenças autoimunes, como a esclerose múltipla (EM). As CTHs dão origem a todas as células dos sistemas hematopoético e imunológico e as CTMs possuem propriedades imunomoduladoras pela liberação de fatores solúveis e interação célula-célula. Existem trabalhos que sugerem que as doenças autoimunes sejam provenientes de defeitos intrínsecos nas células-tronco precursoras da medula óssea. Com o intuito de avaliar se as CTHs e CTMs de pacientes com EM possuem alterações intrínsecas, o objetivo geral deste trabalho foi avaliar o perfil de expressão gênica diferencial por microarrays de CTHs e CTMs de pacientes com EM, além de avaliar o perfil de expressão gênica de CTMs após o transplante autólogo de CTHs e a capacidade imunomoduladora in vitro das CTMs de pacientes. As CTHs e CTMs foram isoladas da medula óssea de pacientes com EM e doadores saudáveis, após consentimento informado. As CTHs foram isoladas por colunas imunomagnéticas e as CTMs foram isoladas por gradiente de densidade e submetidas à caracterização morfológica, imunofenotípica e capacidade de diferenciação em adipócitos e osteócitos. O RNA das CTHs e CTMs foi extraído e purificado e o perfil de expressão gênica foi avaliado por microarrays, utilizando hibridações em lâminas contendo 44.000 sondas. A capacidade imunomoduladora das CTMs de pacientes e controles foi avaliada por ensaios de cocultivo com linfócitos alogênicos e as citocinas foram quantificadas no sobrenadante por CBA flex e ELISA. Este estudo foi aprovado pelo comitê de ética do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto. Os resultados mostraram que as CTHs de pacientes possuem perfis de expressão gênica diferentes dos controles, com 2.722 genes diferencialmente expressos, envolvidos em vias de sinalização importantes para manutenção/proliferação das CTHs e diferenciação em linhagens específicas durante a hematopoese. Dentre essas sinalizações estão incluídas as vias da apoptose, Wnt, Notch, mTOR, PI3K/Akt e Ca/NFAT, sugerindo que as CTHs de pacientes com EM possuam alterações intrínsecas que podem estar relacionadas com a patogenia da doença autoimune. As CTMs isoladas de pacientes com EM exibiram aparência senescente e reduzida expressão de marcadores imunofenotípicos. Com relação à expressão gênica, as CTMs de pacientes possuem perfil diferente das CTMs controle, sendo detectados 618 genes diferencialmente expressos, incluindo genes relacionados à sinalização FGF, HGF, sinalização de moléculas de adesão e moléculas envolvidas nos processos de imunorregulação, como IL10, IL6, TGFB1, IFNGR1, IFNGR2 e HGF. O perfil de expressão gênica das CTMs de pacientes pós-transplante assemelhou-se ao perfil das CTMs pré-transplante. Ensaios de cocultivo de CTMs com linfócitos alogênicos mostraram que as CTMs de pacientes possuem capacidade antiproliferativa reduzida em relação às CTMs controle, e ainda, secreção reduzida de TGF- e IL-10 no sobrenadante das coculturas. Esses dados sugerem que as CTMs isoladas de pacientes com EM possuam alterações fenotípicas, transcricionais e funcionais. Embasados nesses achados, concluímos que as CTHs e as CTMs de pacientes com EM possuem alterações intrínsecas que podem estar relacionadas com a patogenia da doença. Uma vez que as CTMs sejam células com grande potencial terapêutico para controle da EM em pacientes refratários aos tratamentos convencionais, as alterações encontradas sugerem que CTMs de doadores saudáveis sejam mais adequadas em aplicações clínicas. / Bone marrow hematopoietic stem cells (HSCs) and mesenchymal stromal cells (MSCs) have been used as an autologous source to treat autoimmune diseases, such as multiple sclerosis (MS). HSC give rise to all hematopoietic and immune system cells, and MSCs exhibit immunomodulatory properties by releasing soluble factors and by cell-cell interactions. Evidence indicates that bone marrow stem cells obtained from patients with autoimmune diseases may present intrinsic defects. To assess whether or not HSC and MSC of MS patients have intrinsic defects, the main objective of this study was to evaluate the differential gene expression profiles of HSC and MSC from MS patients before and after autologous HSC transplantation, and additionally, to evaluate the in vitro immunomodulatory ability of patient MSCs. Bone marrow HSC and MSCs were isolated from MS patients and healthy donors. HSCs were isolated by immunomagnetic columns and MSCs were isolated by gradient density and cultured until the third passage. MSCs were characterized according to morphology, immunophenotypic markers and cell differentiation into adipocytes and osteocytes. HSC and MSCs mRNAs were extracted, purified, and the gene expression profile was evaluated by microarray hybridizations, using a platform containing 44.000 probes. The immunomodulatory activity of patient and control MSCs was assessed by coculture assays with allogeneic lymphocytes. Cytokines were quantified in coculture supernatants by ELISA and CBA flex. This study was approved by the Ethics Committee of the University Hospital of the School of Medicine of Ribeirão Preto. The results showed that the patient HSCs exhibited a distinctive gene expression profile when compared to healthy HSCs, yielding 2.722 differentially expressed genes, involved in essential HSC signaling pathways for maintenance, proliferation and differentiation into specific lineages during hematopoiesis. Among these signaling pathways were included, apoptosis, Wnt, Notch, mTOR, PI3K/Akt and Ca/NFAT, suggesting that patient HSCs have significant intrinsic transcriptional alterations that may be associated with MS pathogenesis. Regarding MSCs isolated from MS patients, they exhibited senescence appearance, decreased expression of immunophenotypic markers, and also exhibited a distinctive gene expression profile in relation to healthy MSCs, yielding 618 genes differentially expressed genes, included in FGF and HGF signaling pathways, adhesion molecules, and genes involved in immunoregulation processes, such as IL-10, IL-6, TGFB1, IFNGR1, IFNGR2 and HGF. Coculture assays of control or patient MSCs with allogeneic lymphocytes showed that patient cells exhibited reduced antiproliferative activity as compared with controls, and also exhibited reduced secretion of TGF- and IL-10 cytokines in coculture supernatants. These data suggest that MSCs isolated from MS patients have phenotypic, functional and transcriptional defects, highlighting genes related to MSC maintenance, adhesion and immunomodulatory effects. According to these results, we concluded that patient HSCs and MSCs have intrinsic defects that may be associated with the disease per se. Considering that MSCs exhibit great therapeutic potential to control MS patients refractory to conventional treatment, the major MSCs alterations observed in this study indicate that healthy MSCs may be more suitable for MS cell therapy.

Chez l’adulte les premières étapes du développement hématopoïétique se déroulent dans la moelle osseuse (MO). La contribution de cellules d’origine mésenchymateuse, appelées niches stromales, a été démontrée dans le cas de la maintenance des cellules souches hématopoïétiques (CSH) et du développement des lymphocytes B (LB). Ainsi la maintenance des CSH dépend de niches périvasculaires sécrétant CXCL12 et SCF. Par ailleurs les LB les plus précoces (preproB) sont en contact de cellules stromales CXCL12+, puis migrent vers des cellules stromales exprimant l’interleukine-7 lors de leur différentiation en cellules proB. L’expression du préBCR, marque ensuite l’entrée dans le stade préB. À ce stade, les cellules sont au contact de cellules stromales galectine-1+.Malgré les progrès obtenus dans la compréhension du rôle des niches stromales, leur hétérogénéité et les mécanismes contrôlant la migration et l’adhésion des cellules hématopoïétiques en différenciation restent à mieux définir. Dans cet objectif, nous avons caractérisé phénotypiquement les cellules stromales de la MO mais aussi démontré l’existence d’une niche multi-spécifique, associée aux sinusoïdes et capable de soutenir les CSH et les LB.La contribution des niches dans le développement et la résistance aux traitements des Leucémies Aigues Lymphoblastiques de type B (LAL-B), équivalents pathologiques des LB en développement, a aussi été démontrée. Au cours de mon travail de thèse nous avons révélé l'influence d'un facteur exprimé par des cellules stromales de la MO sur la prolifération des LAL-B. À terme, ces travaux permettront de développer des traitements ciblant les fonctions protectrices des niches tumorales. / In adults, the early stages of hematopoietic development take place in the bone marrow (BM). The contribution of specialized cells of mesenchymal origin, called stromal niches, has been demonstrated in the case of hematopoietic stem cell (HSC) maintenance and B lymphocyte development. Indeed, the maintenance of HSC depends on perivascular niches secreting CXCL12 and SCF. Furthermore progenitor B cells (preproB) are in contact with CXCL12+ stromal cells and migrate towards interleukin 7 expressing stromal cells during their differentiation into proB cells. PreBCR expression then marks the entrance into the preB cell stage. At this point, the cells are in contact with galectin-1+ stromal cells.Although progress have been made in understanding the role of stromal cell niches, their heterogeneity and the mechanisms controlling migration and adhesion of differentiating hematopoietic cells are controversial and remain to be defined. With this objective, we characterized phenotypically BM stromal cells but also demonstrated the existence of a multi-specific niche, associated to sinusoids and able to support both HSC and early B cells.The contribution of BM niches in the development and resistance to treatment of B cell Acute Lymphoblastic Leukemia (B-ALL), pathological equivalent of developing B cells has also been demonstrated. During my PhD, our work revealed the influence of a factor expressed by BM stromal cells on the proliferation of B-ALL. Ultimately, this work will allow the development of treatments targeting the protective functions of tumor niches.

Le traitement de pathologies cardiaques ischémiques est limité par labsence de capacité régénérative du myocarde. Plusieurs études ont suggéré le potentiel de régénération du myocarde des cellules souches hématopoïétiques (CSH), mésenchymateuses (CSM) et des cellules progénitrices endothéliales (CPE). Une des stratégies envisageables en thérapie cellulaire est la mobilisation des cellules souches adultes de moelle osseuse (MO) dans le sang périphérique (SP) afin quelles puissent participer aux phénomènes de réparation tissulaire cardiaque. Le G-CSF est une cytokine puissante dont il a été démontré quelle pouvait améliorer la fonction et la perfusion cardiaque après un infarctus du myocarde, non seulement en mobilisant les cellules souches de la MO, mais également, en exerçant des effets cardioprotecteurs directs. Toutefois, des études complémentaires sont requises afin de clarifier lintérêt dun traitement complémentaire par du G-CSF chez les patients souffrant dinfarctus aigu du myocarde. Lobjectif du travail est dévaluer plus précisément la capacité du G-CSF à mobiliser les CSH, les CSM et les CPE et dexaminer la contribution de ces cellules aux phénomènes de réparation tissulaire cardiaque après infarctus du myocarde. Evaluation de la taille de linfarctus chez la souris par µSpect Les modèles murins sont fréquemment utilisés pour étudier les mécanismes physiopathologiques cardiaques et tester les nouvelles stratégies thérapeutiques ; toutefois, lévaluation de la fonction cardiaque reste plus difficile daccès que chez les gros animaux. Cest la raison pour laquelle nous avons mis au point un modèle dinfarctus du myocarde (IM) par occlusion de lartère coronaire chez la souris, mais également les techniques nécessaires à lexploration de la perfusion et de la fonction cardiaque. Afin de suivre lévolution des paramètres hémodynamiques cardiaques fins dans notre modèle dIM, nous avons adapté les techniques déchocardiographie et de sonde à conductance pour leur usage chez la souris. Nous avons ensuite démontré que la technique du µSpect est réalisable chez la souris et permet une détermination précise de la taille de linfarctus. En effet, vu les très petites dimensions du cur de souris, nous avions besoin dune résolution spatiale élevée que nous offre le nouveau système de Spect (Linoview Spect) : celui-ci peut en effet différencier deux points éloignés de 0,35mm. Nous obtenons effectivement des images de qualité équivalente à celles obtenues dans les études cliniques humaines. Nous avons validé cette technique en démontrant une excellente corrélation entre la taille de la zone ischémiée mesurée par µSpect et celle obtenue par les techniques histologiques de coloration au TTC ou trichrome. Nous avons également observé un faible taux de variation des valeurs inter-observation ou inter-observateur. Mobilisation des cellules progénitrices par du G-CSF chez des animaux sains Avant dévaluer la contribution du G-CSF aux phénomènes de réparation du tissu cardiaque lésé suite à une diminution de la perfusion, nous avons tout dabord étudié la capacité du G-CSF à mobiliser les cellules progénitrices hématopoïétiques (CPH), mésenchymateuses (CPM) et endothéliales (CPE). Nous voulions également vérifier limpact dun traitement par du G-CSF sur la perfusion ainsi que sur les performances du muscle cardiaque normal. Nous avons démontré que l'administration de G-CSF chez les souris induit la mobilisation en périphérie de CPH, CPM et CPE, selon une cinétique spécifique à chaque type de cellules progénitrices. Cest après trois jours de traitement par du G-CSF que nous observons un nombre maximum des trois types de progéniteurs dans la SP ; ce serait donc le jour le plus approprié pour collecter par aphérèse une population enrichie en CPH, CPM et CPE. Toutefois, ce jour de collecte est à adapter spécifiquement à chaque type de cellules progénitrices. Lanalyse échocardiographique et les mesures de pression-volume ont démontré que l'administration de G-CSF a un impact sur la fonction hémodynamique cardiaque. Ces données hémodynamiques ont révélé une relaxation anormale du cur, une compliance plus faible du ventricule gauche (VG) et une plus faible déformation du myocarde. Ces résultats pourraient suggérer que le G-CSF exerce un effet rigidifiant sur les parois ventriculaires. De plus, limagerie µSpect montre que la perfusion myocardique chez des souris saines est augmentée de façon importante, peu de temps après l'administration de G-CSF. Mobilisation des cellules progénitrices après la survenue dun IM Nous avons examiné si la survenue dun IM pouvait affecter le nombre de progéniteurs dans la moelle osseuse et le sang périphérique. Nous avons observé que le nombre de CPH et de CFU-GM diminue aussi bien dans la moelle quen circulation, probablement en conséquence de l'inhibition post-inflammatoire de l'hématopoïèse. Les nombres de CPM et la CPE de la moelle ne varient pas, tandis que les CFU-F formées à partir des cellules médullaires diminuent. Ces trois paramètres augmentent considérablement dans le SP, indiquant une mobilisation importante de ces cellules progénitrices, en réponse à l'inflammation myocardique. Il apparaît clairement que les cellules progénitrices sont spécifiquement mobilisées suite à lIM et non pas chez les « sham-operated animals », alors que ces derniers subissent lentièreté de la chirurgie, à lexception de la ligature de lartère coronaire. Mobilisation des cellules progénitrices par du G-CSF chez des animaux souffrant dIM Nous avons étudié la contribution du G-CSF à la réparation du tissu cardiaque dans notre modèle murin de ligature de lartère coronaire. Limpact sur la survie, la fonction hémodynamique cardiaque et la perfusion, de 2 timings de traitement par du G-CSF a été étudiée par lusage complémentaire de léchographie, lévaluation hémodynamique à partir de boucle pression-volume et limagerie µSpect. Pour ce faire, les animaux ligaturés sont traités par du G-CSF, soit pendant 5 jours après linfarctus, soit pendant 5J avant et 5J après la chirurgie. Une semaine après linduction de lIM, les modifications fonctionnelles et structurelles induites par linfarctus et le traitement au G-CSF sont évaluées. Les résultats que nous avons obtenus montrent que les CPM et les CPE sont davantage mobilisées dans le sang périphérique chez les souris souffrant dIM et traitées par du G-CSF que chez les animaux non traités. De plus, ladministration du G-CSF est nécessaire à la mobilisation des CPH après un IM aigu. Ladministration de G-CSF améliore la survie des animaux. En effet, la mortalité évolue de 30% chez les animaux non traités à 18% chez les animaux traités par du G-CSF dans les 5J qui suivent la ligature, et 0% de survie si les animaux sont traités 5J avant la ligature et 5J après. Le remodelage du VG est également amélioré par le G-CSF, comme le montre la diminution du poids du coeur et de la taille du VG. Nous avons alors évalué l'impact de l'administration de G-CSF sur le déficit de la perfusion et avons observé que ce paramètre, ainsi que la taille de linfarctus, sont sensiblement diminués après 10 jours de G-CSF. Nous obtenons également une évolution favorable de la perfusion entre les jours 1 et 7 chez les animaux recevant du G-CSF. Le nombre d'artérioles CD31 positives dans le coeur est également augmenté après un traitement par du G-CSF. Afin dévaluer plus précisément l'impact du traitement par du G-CSF sur la physiopathologie cardiaque chez des souris souffrant dIM, une évaluation hémodynamique de fonction cardiaque a été réalisée. Nous pouvons observer une amélioration de certains paramètres de la fonction cardiaque mais non de tous. En effet, 7 jours après la survenue de lIM, le débit cardiaque est presque totalement corrigé mais la fraction déjection du VG reste inchangée. Les paramètres de déformation du VG ne sont pas normalisés une semaine après linfarctus. Dun point de vue hémodynamique, la constante de relaxation augmente au-delà des valeurs normales après ladministration de G-CSF. De même, en fin de diastole, la pression augmente fortement, alors que le volume reste inchangé. Ces données indiquent à nouveau une altération de la relaxation du muscle cardiaque et une diminution de la compliance du VG chez les animaux traités par du G-CSF. Ces résultats confirment le potentiel du G-CSF à mobiliser les cellules progénitrices dans le sang périphérique et leur possible contribution aux phénomènes de réparation cardiaque. Le développement dun traitement par du G-CSF dans les pathologies ischémiques cardiaques est un thérapeutique non invasive qui suscite un vif intérêt, mais qui nécessite des évaluations approfondies au travers détudes fondamentales et cliniques en double aveugle et randomisées. Il faut maintenant déterminer les mécanismes par lesquels le G-CSF exer

During embryonic development a variety of tissues and organs such as the lung, eye, and kidney are being formed. The generation of functional organs is regulated by reciprocal cell-cell interactions. Via the secretion of soluble molecules one type of cells affect the fate of their neighboring cells. A central issue in organogenesis is how a cell interprets such extrinsic signals and adopts a specific fate, and how the cell in response to this signal establishes reciprocal signaling. Transcription factors play a critical role in this process and my thesis focuses on the role of the LIM-homeodomain transcription factor, Lhx2, in the development of three different organ systems, the liver, the hematopoietic system and the olfactory system. The liver is formed from endoderm of the ventral foregut and mesenchyme of the septum transversum (st) and its development depends upon signaling interactions between these two tissues. As the liver becomes a distinct organ it is colonized by hematopoietic cells and serves as hematopoietic organ until birth. The fetal liver provides a microenvironment that supports the expansion of the entire hematopoietic system (HS) including the hematopoietic stem cells (HSCs). Liver development in Lhx2-/- embryos is disrupted leading to a lethal anemia due to insufficient support of hematopoiesis. To further investigate the role of Lhx2 in liver development I analyzed gene expression from the Lhx2 locus during liver development in wild-type and Lhx2-/- mice. Lhx2 is expressed in the liver associated st mesenchymal cells that become integrated in the liver and contribute to a subpopulation of hepatic stellate cells in adult liver. Lhx2 is not required for the formation of these mesenchymal cells, suggesting that the phenotype in Lhx2-/- livers is due to the presence of defective mesenchymal cells. The putative role of Lhx2 in the expansion of the HS was examined by introducing Lhx2 cDNA into embryonic stem cells differentiated in vitro. This approach allowed for the generation of immortalized multipotent hematopoietic progenitor cell (HPC) lines that share many characteristics with normal HSCs. The Lhx2-dependent generation of HSC-like cell lines suggests that Lhx2 plays a role in the maintenance and/or expansion of the HS. To isolate genes putatively linked to Lhx2 function, genes differentially expressed in the HPC lines were isolated using a cDNA subtraction approach. This allowed for the identification of a few genes putatively linked to Lhx2 function, as well as several stem cell-specific genes. The antagonist of Wnt signalling, Dickkopf-1 (Dkk-1), was identified in the former group of genes as it showed a similar expression pattern in the fetal liver, as that of Lhx2 and expression of Dkk-1 in fetal liver and in HPC lines appeared to be regulated by Lhx2. This suggests that Dkk-1 plays a role in liver development and/or HSC physiology during embryonic development. During development of the olfactory epithelium (OE) neuronal progenitors differentiate into mature olfactory sensory neurons (OSNs) that are individually specified into over a thousand different subpopulations, each expressing a unique odorant receptor (OR) gene. The expression of Lhx2 in olfactory neurons suggested a potential role for Lhx2 in the development of OSNs. To address this OE from Lhx2-/- and wild-type mice was compared. In the absence of functional Lhx2 neuronal differentiation was arrested prior to onset of OR expression. Lhx2 is thus required for the development of OSN progenitors into functional, individually specified OSNs. Thus, Lhx2 trigger a variety of cellular responses in different organ systems that play important roles in organ development in vivo and stem cell expansion in vitro.

L’osteopetrosi autosomale recessiva (ARO) è un gruppo di malattie dovute a un difettoso funzionamento degli osteoclasti che preclude un rimodellamento osseo corretto. Nel 50% dei casi umani il difetto è dovuto ad una delezione nel gene Tcirg1. Il modello murino mutante oc/oc porta lo stesso difetto genetico e fenotipico umano. Nel lavoro di tesi si è dimostrato che gli epatociti fetali di 12.5 giorni di gestazione trapiantati in utero in feti mutati di 13.5 giorni di gestazione sono in grado di curare il fenotipo malato. Si è inoltre derivata una sottolinea di cellule staminali embrionali murine transgeniche per il costrutto plasmidico GOF18eGFP. Si vuole utilizzare la GFP sotto il controllo del promotore del gene Oct-4 come marcatore del livello di staminalità cellulare per microiniettare le ESC in blastocisti murine mutate oc/oc. / Autosomal recessive osteopetrosis (ARO) is a group of genetic disorders due to defects that preclude normal function of osteoclasts. In half the cases, human ARO is due to mutations in the Tcirg1 gene. The oc/oc mutant mouse closely recapitulates human Tcirg1-dependent ARO. In ths work we demonstrate that in utero injection of allogenic fetal liver cells on 12.5 days into oc/oc fetuses at 13.5 day post coitum completely rescue the osteopetrotic phenotype. Moreover, an embryonic stem cells line transgenic for GOF18eGFP was produced. The goal is to use the GFP under the transcriptional control of the Oct-4 promoter as a marker of pluripotency of the ESC that are to microinject into oc/oc blastocysts.

Τα επισωματικά αυτο-αναπαραγώμενα συστήματα αποτελούν υποσχόμενα εναλλακτικά οχήματα γονιδιακής μεταφοράς για εφαρμογές της γονιδιακής θεραπείας. Η πρόσφατη κατανόηση της ικανότητας των αλληλουχιών S/MAR να διαμεσολαβούν την επισωματική διατήρηση γενετικών στοιχείων επέτρεψε την ανάπτυξη ενός πρότυπου κυκλικού επισωματικού φορέα που λειτουργεί χωρίς να κωδικοποιεί πρωτεΐνες ιϊκής προέλευσης. Σε αυτή τη μελέτη, διερευνήθηκε για πρώτη φορά η δυνατότητα αυτού του φορέα, pEPI-eGFP, να μεσολαβεί γονιδιακή μεταφορά σε κυτταρικές σειρές προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων καθώς και σε πρωτογενή ανθρώπινα κύτταρα και, κυρίως, σε ανθρώπινα προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα. Δείχνουμε ότι ο φορέας pEPI-eGFP διατηρείται επισωματικά και υποστηρίζει παρατεταμένη έκφραση του γονιδίου αναφοράς eGFP, ακόμα και χωρίς πίεση επιλογής, στην ανθρώπινη κυτταρική σειρά K562, καθώς και σε πρωτογενείς ανθρώπινους ινοβλάστες. Αντίθετα, στην κυτταρική σειρά ερυθρολευχαιμίας ποντικού MEL, η έκφραση της eGFP αποσιωπάται μέσω αποακετυλίωσης ιστονών, παρά την επισωματική διατήρηση του φορέα. Προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα με κλωνογόνο ικανότητα, προερχόμενα από αίμα ομφάλιου λώρου, διαμολύνονται αποτελεσματικά με το φορέα μέσω ηλεκτροδιάτρησης. Ημιστερεές αποικίες προερχόμενες από διαμολυσμένα CD34+ κύτταρα διατηρούν το φορέα και εκφράζουν eGFP. Μετά από 4 εβδομάδες ο φορέας διατηρείται επισωματικά σε περίπου 1% των θυγατρικών κυττάρων. Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν για πρώτη φορά ότι ένα πλασμίδιο βασιζόμενο σε μια αλληλουχία S/MAR μπορεί να λειτουργεί ως σταθερό επιίσωμα σε πρωτογενή ανθρώπινα κύτταρα και, ιδιαίτερα, σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα, υποστηρίζοντας παρατεταμένη έκφραση του διαγονιδίου. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη χρησιμότητα του συστήματος αυτού για τους σκοπούς της γονιδιακής θεραπείας. Παράλληλα, καταδεικνύει τους στόχους στους οποίους πρέπει να επικεντρωθεί η μελλοντική έρευνα προς την κατεύθυνση της βελτίωσής του. / Episomally maintained self-replicating systems present attractive alternative vehicles for gene therapy applications. Recent insights into the ability of chromosomal scaffold/matrix attachment regions (S/MARs) to mediate episomal maintenance of genetic elements cloned in cis allowed the development of a small circular episomal vector that functions independently of virally encoded proteins. In this study, we investigated the potential of this vector, pEPI-eGFP, to mediate gene transfer in hematopoietic progenitor cell lines as well as in primary human cells and, importantly, in human hematopoietic progenitor cells. pEPI-eGFP was episomally maintained and conferred sustained eGFP expression even in nonselective conditions in the human cell line, K562, as well as in primary human fibroblast-like cells. In contrast, in the murine erythroleukemia cell line, MEL, transgene expression was silenced through histone deacetylation, despite the vector’s episomal persistence. Hematopoietic semisolid cell colonies derived from transfected human cord blood retained the vector and expressed eGFP. After 4 weeks, the vector was maintained in approximately 1% of progeny cells. Our results provide the first evidence that a S/MAR-based plasmid can function as a stable episome in primary human cells, supporting long-term transgene expression. The present study constitutes a proof of principle for the utility of this system in gene therapy applications and points at targets for future improvements.

Les cellules souches somatiques présentent habituellement un comportement très différent des cellules souches pluripotentes. Les bases moléculaires de l’auto-renouvellement des cellules souches embryonnaires ont été récemment déchiffrées grâce à la facilité avec laquelle nous pouvons maintenant les purifier et les maintenir en culture durant de longues périodes de temps. Par contre, il en va tout autrement pour les cellules souches hématopoïétiques. Dans le but d’en apprendre davantage sur le fonctionnement moléculaire de l’auto-renouvellement des cellules souches hématopoïétiques, j’ai d’abord conçu une nouvelle méthode de criblage gain-de-fonction qui répond aux caprices particuliers de ces cellules. Partant d’une liste de plus de 700 facteurs nucléaires et facteurs de division asymétrique candidats, j’ai identifié 24 nouveaux facteurs qui augmentent l’activité des cellules souches hématopoïétiques lorsqu’ils sont surexprimés. J’ai par la suite démontré que neuf de ces facteurs agissent de manière extrinsèque aux cellules souches hématopoïétiques, c’est-à-dire que l’effet provient des cellules nourricières modifiées en co-culture. J’ai également mis à jour un nouveau réseau de régulation de transcription qui implique cinq des facteurs identifiés, c’est-à-dire PRDM16, SPI1, KLF10, FOS et TFEC. Ce réseau ressemble étrangement à celui soutenant l’ostéoclastogénèse. Ces résultats soulèvent l’hypothèse selon laquelle les ostéoclastes pourraient aussi faire partie de la niche fonctionnelle des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. De plus, j’ai identifié un second réseau de régulation impliquant SOX4, SMARCC1 et plusieurs facteurs identifiés précédemment dans le laboratoire, c’est-à-dire BMI1, MSI2 et KDM5B. D’autre part, plusieurs indices accumulés tendent à démontrer qu’il existe des différences fondamentales entre le fonctionnement des cellules souches hématopoïétiques murines et humaines. / Somatic stem cells usually exhibit a very different behavior compared to pluripotent stem cells. The molecular basis of embryonic stem cell self-renewal was recently decrypted by the relative straightforwardness with which we can now purify and maintain these cells in culture for long periods of time. However, this is not the case with hematopoietic stem cells. In order to elucidate the molecular mechanisms of hematopoietic stem cell self-renewal, I developed a novel gain-of-function screening strategy, which bypasses some constraints found with these cells. Starting from a list of more than 700 candidate nuclear factors and asymmetric division factors, I have identified 24 new factors that increase hematopoietic stem cell activity when overexpressed. I have also found that nine of these factors act extrinsically to hematopoietic stem cells, i.e., the effect comes from the engineered feeder cells in co-culture. Moreover, I have revealed a new transcriptional regulatory network including five of the factors identified, i.e., PRDM16, SPI1, KLF10, FOS and TFEC. This network is particularly similar to that involved in osteoclastogenesis. These results raise the hypothesis that osteoclasts might also be part of the functional hematopoietic stem cell niche in the bone marrow. Furthermore, I have identified a second regulatory network involving SOX4, SMARCC1 and several factors previously identified in the laboratory, i.e., BMI1, MSI2 and KDM5B. Besides, several lines of evidence tend to show that there are fundamental differences between mouse and human hematopoietic stem cells.

La greffe de sang de cordon est de plus en plus utilisée et a permis de traiter avec succès chez l’enfant des déficits immunitaires ainsi que des hémopathies malignes comme les leucémies. Malgré d’importants avantages tels que l’absence de risque pour le donneur ou la plus faible incidence de maladie du greffon contre l’hôte (GvHD), utiliser le sang de cordon comporte certains inconvénients. En effet, une reconstitution immunitaire retardée, des infections opportunistes en plus grand nombre et un risque de rechute sont des complications qui peuvent survenir et engendrer un risque pour le pronostic vital du patient. Par conséquent, de nouvelles stratégies d’immunothérapies doivent être envisagées. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes particulièrement intéressés aux cellules dendritiques plasmacytoides (pDC) dont les fonctions sont importantes pour l’initiation des réponses immunitaires innée et adaptative et particulièrement pour leur capacité à activer les cellules NK. Afin d’élucider le rôle et l’impact de ces cellules dans les greffes de sang de cordon, le nombre et la fonction des pDC et des NK a été suivi longitudinalement chez des patients ayant subi une greffe de sang de cordon comparativement à des patients transplantés avec de la moelle osseuse. Nous avons ainsi démontré que les pDC et les NK apparaissent précocement suite à une greffe de sang de cordon et que ces cellules sont fonctionnelles. Ces résultats mettent donc en lumière que ces cellules pourraient être de bons outils pour l’établissement d’une immunothérapie après greffe de sang de cordon. De plus, la caractérisation fonctionnelle des pDC du greffon de sang de cordon a permis de révéler une plus faible production d’IFN-α par les pDC, comparativement aux pDC de sang d’adulte. Cette différence pourrait jouer un rôle dans la plus faible incidence de GvHD après les greffes de sang de cordon. Dans le but de préciser les mécanismes moléculaires de régulation négative de la production d’IFN-α par les pDC de sang de cordon, nous avons étudié les protéines de la voie de signalisation TLR9-IRF7. L’expression similaire de l’ARN du TLR9, MyD88, IRAK1 et IRF7 contraste avec la plus faible expression des protéines correspondantes. De plus, l’expression des MicroARNs miR-146a et miR-155 est plus élevé dans les pDC de sang de cordon comparativement aux pDC de sang d’adultes. Ensemble, ces données pointent une régulation négative post-transcriptionnelle de la voie TLR9-IRF7 qui pourrait expliquer la plus faible production d’IFN-α des pDC du sang de cordon. L’ensemble des ces travaux suggère que les pDC pourraient représenter une cible de choix dans le développement de nouvelles approches thérapeutiques dans les greffes de sang de cordon. / Umbilical cord blood transplantation has increasingly been used as a source of hematopoietic stem cells to successfully treat immunodeficiencies and malignant diseases such as leukemia in pediatric patients. Despite important advantages, namely lack of risk for the donor and low incidence of GvHD, use of cord blood is associated with several drawbacks. Specifically, delayed immune reconstitution, more opportunistic infections and a relative risk of relapse are complications that may occur and lead to a poor prognosis. Consequently, new immunotherapeutic strategies should be considered. In this study, we were interested in plasmacytoid dendritic cells (pDC), whose functions are important for initiation of innate and adaptive immune responses and, in particular, for their ability to activate natural killer cells (NK). In order to elucidate the role and the impact of these cells in cord blood transplantation, pDC and NK numbers and function have been longitudinally followed in cord blood and bone marrow recipients. We showed that pDC and NK cells appeared early after umbilical cord blood transplantation and that these cells retained functional activity. Thus, these cells may constitute a good tool for immunotherapy in umbilical cord blood transplantation. Moreover, the functional characterization of pDC in cord blood revealed a lower production of IFN-α by cord blood pDC, which may play a role in the lower incidence of GvHD after umbilical cord blood transplantations. In order to determine the molecular mechanism for the negative regulation of IFN-α production by cord blood pDC, we studied the expression of TLR9-IRF7 pathway. The stable expression of TLR9, MyD88, IRAK1 and IRF7 mRNA contrasts with the lower expression of corresponding proteins. Interestingly, expression of microRNA miR-146a and miR-155 is higher in cord blood pDC. Together, these results point to a post-transcriptionnal negative regulation of TLR9-IRF7 pathway which may explain the lower IFN-α production by cord blood pDC. This work reinforces the idea that pDCs constitute a target of choice for developing new therapeutic approaches in cord blood transplantations.

Les polymorphonucléaires neutrophiles (PMNs) représentent une arme primordiale dans la défense contre divers agents pathogènes; notamment les bactéries, les champignons, les cellules tumorales de même que les cellules infectées par des virus. Cependant, certaines pathologies reliées à l’inflammation chronique soulèvent l’implication des neutrophiles notamment dans l’arthrite rhumatoïde. La réponse inflammatoire persistante générée par l’activation et la survie des neutrophiles engendre une destruction des tissus environnants suite à la sécrétion non contrôlée de leurs produits cytotoxiques. Même si l’activation chronique des neutrophiles est néfaste dans plusieurs pathologies, elle pourrait s’avérer un bon outil en cas de neutropénie, comme c’est souvent le cas les patients ayant reçu des traitements de chimiothérapie. Ce projet fait suite aux travaux doctoraux de Lagraoui (1999). Il vise à identifier le(s) facteur(s) du liquide synovial qui augmente la survie des neutrophiles ainsi que le mécanisme d’action impliqué dans ce processus. Similairement au facteur semi-pur isolés par Lagraoui (1999), le milieu conditionné concentré (MCC) augmente la survie des PMNs de 75% (39% ± 9.5 vs 68% ± 2.5, p<0.01). Suivant le séquençage du MCC parallèlement au facteur semi-pur actif, deux protéines ont été identifiées à la fois dans le MCC et dans le facteur semi-pur soient : l’albumine et la fétuine. Notre projet vise donc à comparer les effets de l’albumine et de la fétuine à ceux du GM-CSF dans l’optique d’une thérapie alternative au GM-CSF en tant qu’adjuvant de chimiothérapie. La présence d’albumine, de fétuine ou de GM-CSF chez les PMNs incubés 24 heures avec la Mutamycin® induit une diminution du nombre de cellules en apoptose par rapport à la Mutamycin® (Ctrl : 43% ± 10; A : 74% ± 3; F : (82% ± 6 et GM : 74% ± 7; p<0.01). L’effet de l’albumine dépend de la voie de la kinase PI3 mais également celle la kinase ERK, alors que celle de la fétuine dépend de la kinase PI3. Similairement l’EPO, l’albumine et la fétuine supporte la différentiation des HSCs en précurseurs érythrocytaires de type BFU-E. Dans un modèle murin de chiomioprotection, l’albumine augmente la concentration cellulaire rapport au groupe contrôle des leukocytes de la rate (66 ±8 x106c/ml vs 81 ±16 x106c/ml) et du sang (3.6 ±0.4 x106c/ml vs 5.7 ±2.3 x106c/ml). Donc, in vitro, l’albumine et la fétuine sont comparables au GM-CSF au niveau fonctionalité et mécansimes d’action. Cependant, vu leur manque de spécificité, l’application thérapeutique en tant qu’adjuvant de chiomiothérapie de l’albumine et la fétuine est peu prometteuse. Par contre, les maladies dégénératives et les évènements ischémiques pourraient s’avérer de bonnes cibles thérapeutiques, principalement pour l’albumine. / Circulating polymorphonuclear neutrophils (PMN) possess a short half-life and are constantly renewed by the bone marrow to ensure the first-line of defense. Therefore, homeostasis must be maintained through a well-regulated process of apoptosis. Survival of PMN can be regulated by several cytokines as well as conditioned media (CM). Although PMN are crucial for protection against microorganisms, activated neutrophils can lead to severe tissue damage in diseases characterized by chronic inflammation. Indeed, in rheumatoid arthritis (RA), activated PMN contribute to tissue damage by releasing a number of destructive agents. On the other hand, chronic activation of PMN could prevent opportunistic infections present in immunosuppressed patients. This project addresses the isolation and mechanism of action of synovial liquid components on the survival of neutrophils based on previous work (Lagraoui, 1999). Following tangential flow filtration (MW cut off: 30 and 50 kDa), concentrated CM enhanced the viability (75%) of 24-hour cultured human neutrophils isolated from peripheral blood of healthy volunteers (39% ± 9.5 vs 68% ± 2.5, p<0.01) as seen in Lagraoui (1999) previous work. N-terminal protein sequence analysis of the concentrated CM and fractionated conditioned media from previous work revealed 2 known proteins contained in both analysis: albumin, and fetuin. In view of the importance of neutrophiles in immune defense, we compared the benefits of albumin and fetuin to those of granulocytes macrophages-colony stimulating factor (GM-CSF), a growth factor used as an adjunct to cancer chemotherapy. Albumin and fetuin were tested by the AnnexinV-FITC/7-AAD method and displayed an inhibition of neutrophil apoptosis of two to three folds relative to control value. Moreover, albumin (A : 200μM) and fetuin (F : 200μM) rescue human PMN from mutamycin-induced apoptosis, comparable to GM-CSF (GM : 10ng/ml); (Ctrl : 43% ± 10; A : 74% ± 3; F : (82% ± 6 et GM : 74% ± 7; p<0.01). Albumin also induces cellular signaling pathways activation via PI3-K and ERK, whereas fetuin acts through PI3-K pathway only. They induce the differentiation of HSCs into erythrocytes progenitors BFU-E. In immunosuppressed mice, albumin protects white blood cells depletion induced by cytotoxic agent from spleen and blood. Considering all the benefits of albumin and fetuin, their targeting as an adjunct to cancer chemotherapy could be disappointing in view of their lack of specificity. On the other hand, their multiple benefits could have a major impact on neurodegenerative disorders and ischemic events.

Dogs are useful preclinical models for the translation of cell transplantation therapies from the bench to the bedside. In order for canine models to be utilized for stem cell transplantation research, it is necessary to advance discoveries in the fields of canine stem cell biology and transplantation. The use of side population hematopoietic stem cells (HSCs) has garnered much interest for the purification of mouse HSCs and has been translated to several other species, including human. In order to assess if this method of purification of HSCs could be useful for stem cell therapies in humans, safety and efficacy studies in a large animal model, such as the dog would be required. With this objective in mind, we isolated canine bone marrow-derived side population (SP) stem cells and assessed their multilineage differentiation in vitro and engraftment potential in vivo. Utilizing a pregating strategy to enrich for small, agranular SP cells we were able to enrich for blast cells, expressing the ABCG2 transmembrane pump known to be associated with murine and human SP cells. Canine SP cells were also enriched for C-KIT positive cells and lacked expression of CD34 as identified in other species. The small, agranular SP fraction had high CFU potential after long-term culture with canine bone marrow stromal cells and cytokine supplementation. Yet, canine SP cells demonstrated low-level engraftment within the NOD/SCID-β2m-/- xenotransplantation model as compared to unfractionated canine bone marrow, which was indicative of suboptimal activation of quiescent canine SP cells within the murine bone marrow niche. A second source of transplantable canine stem cells was examined through the derivation of canine embryonic stem cells (cESCs). The cESC lines described herein were determined to have similar pluripotent stem cell characteristics to human embryonic stem cells, in that they were maintained in an undifferentiated state upon extended passaging as determined by their expression of the human stem cell markers, OCT3/4, NANOG, SOX2, SSEA3, SSEA4, TRA1-60, TRA1-81 and alkaline phosphatase. In addition, cESCs could be induced to differentiate to cells of the three germ layers within in vitro embryoid body cultures and adherent differentiation cultures. Importantly, these cESC lines were the first reported to differentiate in vivo within teratomas. One method of transplanting stem cells to canine recipients involves the delivery of donor cells to the yolk sacs of developing fetuses in utero. Utilizing cells labeled with supraparamagnetic particles conjugated to a Dragon Green fluorophore and the intracellular fluorescent dye, CMTMR, donor cells were tracked from the yolk sac injection site to fetal tissues after transplantation in early (day-25) and mid (day-35) gestation canine fetuses. Labeled cells were localized primarily to the fetal liver and developing bone marrow cavities when examined at gestational day 32, and had been redistributed to not only the fetal liver and bone marrow by day 42, but also to nonhematopoietic tissues, including the lungs and hearts. No labeled cells were detected within the yolk sacs of transplanted fetuses at either time point. These studies demonstrated the efficacy of yolk sac in utero transplantation for the delivery of donor cells to fetal tissues. Collectively, these results indicate that canine stem cells with characteristics similar to human can be isolated and their engraftment, proliferation and differentiation may be assessed in future studies utilizing the canine in utero transplantation model employing yolk sac delivery.