ZNS-Tumore stellen im Kindesalter die häufigsten soliden sowie die zweithäufigsten Tumorerkrankungen insgesamt nach den Leukämien dar. Sie bedürfen in aller Regel einer multimodalen Therapie, bestehend aus möglichst vollständiger Resektion, Chemo- und Strahlentherapie. Besonders bei Kindern unter drei Jahren kann die kraniale Bestrahlung jedoch zu erheblichen kognitiven Einbußen führen, was unter anderem anhand der Messung des Intelligenzquotienten objektiviert werden kann. Bisher existieren jedoch kaum experimentelle Daten, die belegen, inwieweit Bestrahlung zu einer Reduktion neuraler Vorläuferzellen im Gyrus dentatus führt beziehungsweise die sowohl Kurzzeit- also auch Langzeiteffekte der Bestrahlung dosisabhängig untersuchen. Hinsichtlich der Prävention bestrahlungsinduzierter kognitiver Defizite konnten experimentelle Studien zeigen, dass die Veränderung von Bestrahlungsparametern, der Bestrahlungstechnik, die Gabe neuroprotektiver Substanzen sowie die Wiederherstellung des neuralen Stammzellpools zu einer Verbesserung der kognitiven Eigenschaften führen können. Obwohl Resveratrol als neuroprotektive Substanz bei ischämischen Läsionen des Gehirns sowie einigen neurodegenerativen Erkrankungen bekannt ist, wurde sein neuroprotektives Potential bei radiogen verursachten Läsionen des Gehirns bisher noch nicht näher untersucht. Daher bleibt es offen zu klären, ob die neuralen Vorläuferzellen des Hippokampus, die für komplexe Denkleistungen sowie die Regeneration geschädigter Zellen nötig sind, durch die Gabe dieser Substanz vor dem Zelltod durch Bestrahlung gerettet werden können. In der hier vorliegenden Arbeit war es das Ziel, den Einfluss verschiedener Dosiskonzepte auf das Überleben der neuralen Vorläuferzellen des Gyrus dentatus sowie die Möglichkeit einer Protektion dieser Zellen vor bestrahlungsinduziertem Zelluntergang durch Resveratrol zu untersuchen. Die Experimente wurden mit drei bis sechs Tage alten transgenen Nestin-CFPnuc C57BL/J6 Mäusen durchgeführt, von denen Gewebekulturscheiben, welche die entorhino-hippokampale Formation enthielten, angelegt wurden. Um mit Gewebekulturscheiben arbeiten und reproduktive sowie valide Ergebnisse erzielen zu können, war es von Bedeutung, dass während des gesamten Präparierprozesses die entorhino-hippokampale Formation in den Gehirnen erhalten bleibt. Die Hämytoxylinfärbung zeigte, dass die Zytoarchitektur einer Hirnscheibe in vitro der eines Ganzhirnpräparates entspricht. Insbesondere der Tractus perforans bleibt intakt (Kluge et al., 1998). Die Messung der Zytokine (IL-6, KC, MCP-1) nach Entnahme der Hirne und Präparation ergab 14 Tage nach Gewebepräparation konstante Messwerte, sodass von einem Abschluss der Wundheilung ausgegangen werden konnte. Verhalten Nestin-positiver Zellen in Kultur Der Zeitverlauf Nestin-positiver Zellen in unbestrahlten und unbehandelten Kontrollen über 49 Tage zeigte eine mehrphasische Entwicklung, die in dieser Form bisher noch nie beschrieben worden ist. Bis etwa zur Hälfte der Zeit gab es einen deutlichen Abfall Nestin-positiver Zellen. Dieser schien sich jedoch innerhalb der nächsten zehn Tage zu erholen und ab dem 35. Tag in vitro einen konstanten Verlauf zu zeigen. Diese Beobachtungen beweisen, dass die Gewebekulturscheiben in vitro ähnlich einer Maus in vivo altern (Fukuda et al., 2005). Effekte der Bestrahlung Die Bestrahlung führte über den Zeitraum von sechs Wochen zu einer signifikanten, irreversiblen und dosisabhängigen Reduktion Nestin-positiver Zellen innerhalb aller Bestrahlungsdosen (4,5 Gy, 8 Gy, 12 Gy und 16 Gy). Eine Erklärung für die Abnahme Nestin-positiver Zellen ist der bestrahlungsinduzierte Zelltod, welcher, gemessen an Propidiumiodid-positiven Zellen, einen dosisabhängigen Anstieg zeigte. Aufgrund der geringen absoluten Anzahl Propidiumiodid-positiver Zellen 96 Stunden nach Bestrahlung ist es denkbar, dass der Zelltod womöglich auch zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt, wenn sich die durch die Bestrahlung entstandenen Aberrationen und nicht mehr reparablen Schäden über mehrere Zellzyklen manifestiert haben und dann zum Tod der Zelle führen. Entsprechend unseren Ergebnissen führt Bestrahlung ebenso zu einem Einbruch der Neurogenese (NeuN/BrdU) sowie der Proliferation (BrdU/ Ki-67). Diese Beobachtungen machten auch andere Arbeitsgruppen, die ebenfalls negative Langzeiteffekte auf die Neurogenese (Mizumatsu et al., 2003) sowie die Proliferation (Rola et al., 2004) beschrieben. Die Ausdifferenzierung der Stammzellen zu GFAP-positiven Zellen kann durch die Induktion von NF- κB (Ozeki et al., 2012), STAT-3 (Bonni et al., 1997) oder die Aktivierung der Mikroglia im Sinne einer reaktiven Gliosis (Hwang et al., 2006) hervorgerufen werden. Entgegen der Annahme, dass es auch zu einem bestrahlungsinduzierten Abfall ausgereifter Neurone kommen müsste, führte Bestrahlung bis 12 Gy nach 42 Tagen eher zu einer Zunahme. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass es unmittelbar nach Bestrahlung zu einem Abfall gekommen ist, der sich aber nach 42 Tagen vollständig erholt hat. Dies könnte auch den Abfall bei einer Dosis von 16 Gy erklären, da in diesem Dosisbereich eben keine Regeneration mehr erwartet werden kann. Effekt von Resveratrol Da es bereits bei einer Einzeldosis von 4,5 Gy zu einem irreversiblen Abfall neuronaler Stammzellen sowie einem Einbruch der Proliferation und Neurogenese kam, sollten neben technischen Maßnahmen zur Neuroprotektion auch andere Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. Eine Einzeldosis von 4,5 Gy entspricht in etwa einer Dosis von 10 Gy, die im Rahmen des „hippocampal sparing“ während der fraktionierten Behandlung typischerweise im Bereich des Hippokampus erreicht wird (Gondi et al., 2010b). Die Gabe von Resveratrol führte in unbestrahlten Gewebekulturscheiben zu einer Abnahme Nestin-positiver Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. In Kombination mit Bestrahlung zeigte sich jedoch, dass die Anzahl Nestin-positiver Zellen durch die Gabe von Resveratrol zum Teil signifikant erhöht werden konnte. Das neuroprotektive Potential von Resveratrol konnte bereits bei 4 Gy bestrahlten hippokampalen Neuronen demonstriert werden (Li et al., 2014). Bei einer Bestrahlungsdosis von 8 Gy, nicht jedoch bei 16 Gy beobachteten wir über den gesamten Zeitraum einen neuroprotektiven Effekt. Es ist anzunehmen, dass die durch 16 Gy hinterlassenen Schäden derart stark ausgeprägt sind, dass Resveratrol, welches nur 48 Stunden verabreicht wurde, nicht in der Lage war, die Stammzellen zu schützen. In der Praxis könnte man Resveratrol über längere Zeit im Rahmen fraktionierter Behandlungen verabreichen, was auch eine Reduktion der Resveratroldosis ermöglichen könnte. In den unbestrahlten Kontrollen führte die Gabe von Resveratrol möglicherweise durch die Aktivierung von Sirt-1 sowie von AMPK zu einer Inhibition der Entwicklung von Stammzellen (Ma et al., 2014; Park et al., 2012). In weiteren Studien sollte geprüft werden, inwieweit Resveratrol auch in vivo Potential besitzt, die neurokognitiven Fähigkeiten durch einen Schutz der Stammzellen vor Bestrahlung zu verbessern.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis II 1. Einführung 1.1 Hintergrund 1.2 Primäre ZNS-Tumore im Kindesalter 1.2.1 Entstehung und Ätiologie 1.2.2 Symptome und Diagnostik 1.2.3 Therapiemodalitäten 1.3 Der Hippokampus 1.3.1 Anatomie der hippokampalen Formation 1.3.2 Funktion des Hippokampus 1.3.3 Neurogenese im Hippokampus 1.4 Beschreibung des Mausmodels sowie der Zellkultur 1.5 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung auf Gewebe 1.6 Neuroprotektion vor ionisierender Strahlung 1.7 Zielsetzung der Arbeit 2. Publikation 3. Zusammenfassung 4. Literaturverzeichnis 5. Darstellung des eigenen Beitrags 6. Anhang 36 6.1 Selbstständigkeitserklärung 36 6.2 Lebenslauf 37 6.3 Publikationen 39 6.4 Danksagung 40

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Early growth response 1 (Egr1) is a transcription factor critical for learning and memory in the hippocampus and pituitary cell differentiation. Egr1 has been shown to extend continuation of the long-term potentiation in the hippocampus and is credited for forming long-term memories. The somatotrophs in the pituitary produce growth hormone and are found to be decreased in Egr1KO mice. These animals are also found to be sterile due to a decrease in LHB, which blocks ovulation. All previous studies have evaluated these physiological processes with complete Egr1KO research strains or antisense oligonucleotides, up until now, no data specific to individual type of cells has been generated. In an attempt to focus on the understanding of the functions of Egr1 gene in neural cell lineage, we are using an Egr1cKO Nestin-Cre model. Nestin allows for targeting neuronal lineage specific cells. In Chapter 1, we provide a systemic view of Egr1 gene and Nestin-Cre as a system for generating conditional knockout mouse strains. The Chapter begins with the identification of Egr1 gene and its protein structure, then proceeds to grasp its link to memory with behavior testing. The critical role of Egr1 in the pituitary and what cell populations are affected is also described. The same goes for Nestin-Cre, along with its limitations and understanding how to account for them in a study. The Egr1cKO Nestin-Cre system is the best form to understand neurological cell populations with Egr1 removal. In Chapter 2 and Chapter 3, we employ the Egr1cKO Nestin-Cre mouse model to understand cell-specific knockout of Egr1 in the nervous system by evaluating the hippocampus and pituitary. We explore learning and memory through behavioral tests and ribonucleic acid sequencing (RNA-seq) analysis to understand gene expression changes with Egr1 removal. Females showed higher activity during behavior tests, with more movement in the elevated plus maze and lower freezing times during the contextual fear conditioning. RNA-seq had higher changes in females than males but was not affected by the Nestin-Cre system overall. The same RNA-seq changes in the pituitary gland were present, with females having higher genomic differentiation. Females had growth-specific pathways altered by Nestin-Cre. / Doctor of Philosophy / Genetics has become a very important forerunner in scientific research. One gene that has become important in many different research arenas is Early growth response 1 (Egr1). This particular gene is critical for learning, memory, and cell changes in the pituitary. In Chapter 1, we have analyzed the current research landscape of information on Egr1 in its functions with learning and memory, as well as the pituitary. Most previous studies that have been completed only evaluate this gene by its removal from the entire body. This leaves a large gap in information about how this gene functions with specific cell types. To limit the type of cells from which Egr1 has been removed, we have selected Nestin-Cre, a tool to remove genes from neuronal stem cells. The capabilities and limitations of this tool have also been explained in this chapter, along with how the two together can accomplish a cell-specific knockout of Egr1. In Chapter 2, we have constructed an experiment with behavioral tests for mice, along with RNAseq data from the hippocampus to evaluate what changes have occurred in the Egr1cKO Nestin-Cre model. Female mice are more active in the behavioral test, including the elevated plus maze (EPM) and Contextual fear conditioning (CFC), than male mice. The same holds for differences in the RNAseq data as well. In Chapter 3, the pituitary of Egr1cKO Nestin-Cre mice is the main focus. We evaluated RNAseq data and determined growth rates of transgenic mice. The mice had different growth rates over twelve weeks between the controls and the knockout. The RNAseq data also revealed many differences between males and females. Female mice had specific growth genes effects by the knockout of Egr1

Nos études ont démontrées que la formation de la cicatrice et la guérison sont associées avec l’apparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) dans la région péri-infarcie. Présentement, l’étude examine le mécanisme, tel que l’hypoxie ou les hormones neuronales, possiblement impliqué dans leur recrutement et de dévoiler leur origine cellulaire. La présence de ces cellules a été détectée dans les coeurs infarcies d’une semaine et maintenue après neuf mois suite à une sujétion coronaire complète. Aussi, ces cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) ont été observées dans le coeur infarci humain. L’hypoxie représente un événement prédominant suite à un infarctus de myocarde, mais l’exposition des rats normaux à un environnement hypoxique n’a pas pu promouvoir l’apparition de ces cellules. Autrement, l’infusion de l’agoniste -adrénergique non-sélectif isoprotérénol (ISO) dans les rats adultes Sprague-Dawley a augmenté la protéine nestine dans le ventricule gauche et a été associé avec la réapparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+). Cela représente possiblement un effet secondaire suite à la nécrose des myocytes cardiaques par l’administration d’isoprotérénol. Dernièrement, on a identifié une sous-population de cellules nestine(+) dans le coeur normal du rat qui co-exprime les marqueurs de cellules cardiaques progénitrices Nkx-2.5 et GATA-4. Cette sous-population de cellules nestine/Nkx-2.5/GATA-4 pourrait représenter des substrats cellulaires qui puissent se différentier en cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) suite à une ischémie. Mots clés: nestine, isoprotérénol, nécrose, cellule souche, cellule progénitrice, myocyte cardiaque / Studies from our lab demonstrated that scar formation and healing was associated with the appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells predominantly at the peri-infarct region. The focus of the present study was to identify the underlying mechanism(s) (e.g. hypoxia, neurohormones) implicated in their recruitment and their cellular origin. The presence of these cells was detected as early as 1-week post-myocardial infarction (MI) and persisted 9 months after complete coronary artery ligation. Furthermore, nestin(+) cardiac myocyte-like cells were also detected in the infarcted human heart. Hypoxia represents a predominant stimulus following MI, however the exposure of normal rats to a hypoxic environment failed to promote the re-appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. By contrast, the infusion of the non-selective -adrenergic agonist isoproterenol (ISO) in the normal adult Sprague-Dawley rat increased nestin expression in the left ventricle and was associated with the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. However, the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells may not represent a direct effect but was apparently secondary to cardiac myocyte necrosis mediated by isoproterenol. Lastly, we identified a subpopulation of nestin-immunoreactive cells in the normal rat heart that coexpressed cardiac progenitor cell markers Nkx-2.5 and GATA-4. This subpopulation of nestin/Nkx-2.5/GATA-4 cells may represent the progenitor pool that differentiates to a nestin(+) cardiac myocyte-like cell following an ischemic insult. Key words: nestin, isoproterenol, cardiac myocyte, cardiac progenitor, necrosis

L’hypertrophie cardiaque représente la réponse primaire du cœur dans le but d’améliorer la fonction cardiaque qui est compromise suite à un accident ischémique ou une surcharge hémodynamique. Cependant, l’hypertrophie cardiaque a pour conséquence pathologique la fibrose réactive, qui est caractérisée par la synthèse incontrôlée et le dépôt du collagène par les myofibroblastes. Ainsi, l’accumulation accrue du collagène dans le cœur hypertrophié mène à l’augmentation de la rigidité cardiaque et la détérioration progressive de la fonction contractile du cœur. Plusieurs études ont démontré que la protéine nestine, appartenant à la famille des filaments intermédiaires, est ré-exprimée dans les myofibroblastes durant la fibrose réparative et est impliquée dans la prolifération cellulaire. Basée sur ces observations, cette étude teste l’hypothèse selon laquelle nestine est induite dans les myofibroblastes suivant le développement de la fibrose réactive dans le cœur des rats ayant subi une constriction aortique supra-rénale. Deux semaines suivant une constriction aortique supra-rénale chez le rat, un patron d’hypertrophie concentrique cardiaque a été observé et associé avec une réponse de fibrose réactive caractérisée par le dépôt accru de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire de nombreux vaisseaux sanguins cardiaques. De plus, les niveaux de la protéine nestine sont augmentés significativement dans les cœurs des rats hypertrophiés, et ce, de façon corrélative avec la pression artérielle moyenne et la pression systolique du ventricule gauche. Les techniques d’immunofluorescences ont révélé une apparition accrue des cellules immunoréactives à nestine, qui présentent un phénotype mésenchymateux caractérisé par la co-expression de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire des cœurs hypertrophiés. Ces données suggèrent que les fibroblastes résidents peuvent exprimer la protéine nestine ou que l’expression de nestine est induite en réponse aux facteurs pro-fibrotiques impliqués dans la fibrose réactive. En effet, l’exposition des myofibroblastes normaux et des myofibroblastes isolés des cœurs hypertrophiés à l’AII, TGF-B1 et EGF augmente significativement l’expression de la protéine nestine, tandis que l’expression de l’α-SMA demeure inchangée. De plus, de manière prédominante dans le cœur hypertrophié, des cellules non-vasculaires CD31(+) ont été détectées dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire. Ces cellules co-expriment nestine et collagène suggérant une transition des cellules endothéliales vers un phénotype mésenchymateux. Finalement, la protéine nestine, sous sa forme filamenteuse, a été détectée dans les cellules endothéliales de l’artère coronaire humaine et leur exposition au TGF-B1, induit l’expression de collagène. En revanche, l’expression de collagène a été détectée dans les cellules microvasculaires de rats CD31(+), alors que l’expression de nestine est absente. En réponse aux traitements de TGF-B1 et EGF, l’expression de nestine, sous sa forme non-filamenteuse, est détectée dans les cellules microvasculaires de rats. Collectivement, ces données supportent la prémisse selon laquelle la réponse de fibrose réactive dans les cœurs hypertrophiés, suite à une constriction aortique supra-rénale, est attribuée en partie à l’augmentation de l’apparition des cellules mésenchymateuses positives à l’expression de nestine qui proviennent des fibroblastes résidents du ventricule. De plus, les données in vivo et in vitro suggèrent que les cellules endothéliales déplacées représentent une source additionnelle des cellules mésenchymateuses nestine(+) dans le cœur hypertrophié et contribuent au développement de la fibrose réactive. Cibler la protéine nestine peut représenter une approche thérapeutique afin d’atténuer la réponse de fibrose réactive indépendamment de l’origine des cellules mésenchymateuses. / Cardiac hypertrophy secondary to an ischemic insult or a hemodynamic overload represents the primary response of the heart to enhance compromised cardiac function. However, a pathological consequence of cardiac hypertrophy is reactive fibrosis characterized by the uncontrolled synthesis and deposition of collagen by proliferating myofibroblasts. Furthermore, the unrestrained accumulation of collagen in the hypertrophic heart leads to increased cardiac stiffness and progressive worsening of contractile function. Previous studies have reported that the intermediate filament protein nestin was re-expressed in myofibroblasts during reparative fibrosis and played a direct role in cell proliferation. Based on these observations, the following study tested the hypothesis that nestin was induced in myofibroblasts secondary to the development of reactive fibrosis in the heart of rats subjected to suprarenal aortic constriction. Two weeks following suprarenal aortic constriction of the adult male rat, a concentric pattern of cardiac hypertrophy was observed and associated with an overt reactive fibrotic response characterized by the increased deposition of collagen in the interstitium and perivascular region of numerous blood vessels. Nestin protein levels were significantly increased in the heart of hypertrophied rats and expression positively correlated with mean arterial pressure and left ventricular systolic pressure. Immunofluorescence approach revealed an increased appearance of nestin-immunoreactive cells in the interstitium and perivascular region of hypertrophied hearts and exhibited a mesenchymal phenotype characterized by collagen co-staining. The latter data suggests that resident fibroblasts may have expressed nestin and/or was induced in response to pro-fibrotic factors implicated in reactive fibrosis. Indeed, the exposure of normal myofibroblasts and myofibroblasts isolated from the hypertrophied heart to AII, TGF-B1 and EGF significantly increased nestin protein levels, whereas α-SMA expression remained unchanged. Moreover and predominantly in the hypertrophied heart, displaced non-vascular CD31(+) cells were detected in the interstitium and perivascular region that co-expressed nestin and collagen suggesting a transition of endothelial cells to a mesenchymal phenotype. Indeed, filamentous nestin was detected in human coronary artery endothelial cells and exposure to TGF-B1 induced collagen expression. By contrast, collagen was detected in CD31(+) rat microvascular endothelial cells whereas nestin expression was absent. In response to TGF-B1 and EGF, nestin was expressed in rat microvascular endothelial cells but the reported filamentous phenotype was not observed. Collectively, these data support the premise that the progression of the reactive fibrotic response in the hypertrophied heart secondary to suprarenal aortic constriction was attributed in part to the increased appearance of nestin(+) mesenchymal cells originating in part from resident ventricular myofibroblasts. Moreover, the in vivo and in vitro data further suggest that displaced endothelial cells may represent an additional source of nestin(+) mesenchymal cells in the hypertrophied heart contributing to the development of reactive fibrosis. Targeting nestin may represent a potential therapeutic approach to attenuate the reactive fibrotic response regardless the cellular origin of the mesenchymal cell.

Nos études ont démontrées que la formation de la cicatrice et la guérison sont associées avec l’apparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) dans la région péri-infarcie. Présentement, l’étude examine le mécanisme, tel que l’hypoxie ou les hormones neuronales, possiblement impliqué dans leur recrutement et de dévoiler leur origine cellulaire. La présence de ces cellules a été détectée dans les coeurs infarcies d’une semaine et maintenue après neuf mois suite à une sujétion coronaire complète. Aussi, ces cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) ont été observées dans le coeur infarci humain. L’hypoxie représente un événement prédominant suite à un infarctus de myocarde, mais l’exposition des rats normaux à un environnement hypoxique n’a pas pu promouvoir l’apparition de ces cellules. Autrement, l’infusion de l’agoniste -adrénergique non-sélectif isoprotérénol (ISO) dans les rats adultes Sprague-Dawley a augmenté la protéine nestine dans le ventricule gauche et a été associé avec la réapparition de cellules de type myocytes cardiaques nestine(+). Cela représente possiblement un effet secondaire suite à la nécrose des myocytes cardiaques par l’administration d’isoprotérénol. Dernièrement, on a identifié une sous-population de cellules nestine(+) dans le coeur normal du rat qui co-exprime les marqueurs de cellules cardiaques progénitrices Nkx-2.5 et GATA-4. Cette sous-population de cellules nestine/Nkx-2.5/GATA-4 pourrait représenter des substrats cellulaires qui puissent se différentier en cellules de type myocytes cardiaques nestine(+) suite à une ischémie. Mots clés: nestine, isoprotérénol, nécrose, cellule souche, cellule progénitrice, myocyte cardiaque / Studies from our lab demonstrated that scar formation and healing was associated with the appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells predominantly at the peri-infarct region. The focus of the present study was to identify the underlying mechanism(s) (e.g. hypoxia, neurohormones) implicated in their recruitment and their cellular origin. The presence of these cells was detected as early as 1-week post-myocardial infarction (MI) and persisted 9 months after complete coronary artery ligation. Furthermore, nestin(+) cardiac myocyte-like cells were also detected in the infarcted human heart. Hypoxia represents a predominant stimulus following MI, however the exposure of normal rats to a hypoxic environment failed to promote the re-appearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. By contrast, the infusion of the non-selective -adrenergic agonist isoproterenol (ISO) in the normal adult Sprague-Dawley rat increased nestin expression in the left ventricle and was associated with the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells. However, the reappearance of nestin(+) cardiac myocyte-like cells may not represent a direct effect but was apparently secondary to cardiac myocyte necrosis mediated by isoproterenol. Lastly, we identified a subpopulation of nestin-immunoreactive cells in the normal rat heart that coexpressed cardiac progenitor cell markers Nkx-2.5 and GATA-4. This subpopulation of nestin/Nkx-2.5/GATA-4 cells may represent the progenitor pool that differentiates to a nestin(+) cardiac myocyte-like cell following an ischemic insult. Key words: nestin, isoproterenol, cardiac myocyte, cardiac progenitor, necrosis

Glioblastoma multiforme is the most malignant primary brain tumor that affects adults, recognized by the World Health Organization as an aggressive grade IV astrocytoma. Patients diagnosed with this type of tumor are left with a poor prognosis even with the most advanced treatment available. The cancer is quite heterogeneous and is typically categorized into four different subtypes depending on genetic aberrations and patient characteristics. Furthermore, researchers have discovered a subpopulation of glioblastoma cells, known as cancer stem cells, which are thought to be resistant to current therapies and responsible for tumor reoccurrence and relapse. Previous studies, in addition to this one, have found that the differentiation of glioblastoma cells downregulate nestin protein expression, the selected stem cell marker, and upregulate glial fibrillary acid protein expression, the selected differentiation marker, using immunofluorescence. Thus, one alternative treatment option is to understand the mechanism underlying the differentiation of cancer stem cells. Four cell cultures representative of each glioblastoma subtype will be endogenously tagged using the genome editing system, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas9). The representative stem cell marker, nestin, will be tagged with a green fluorescent protein, while the chosen differentiation marker, glial fibrillary acid protein, will be tagged with a red fluorescent protein. Several drugs were screened to analyze whether the drugs had a differentiation effect on the glioblastoma cells. As a result, strong evidence indicated that bone morphogenetic protein four upregulated glial fibrillary acid protein expression levels to the same extent as the differentiation control media using 5% fetal bovine serum. The goal of this study is to establish a method to directly monitor the differentiation process of glioblastoma cells as a novel molecular screening method. In this case, all glioblastoma cells, even the ones resistant to treatment, can be eliminated through an initial “pre-treatment” by forcing differentiation of cancer stem cells, making the cells more susceptible to the chemotherapy drugs. In the long run, glioblastoma patients would have a chance at a more positive prognosis; a longer life that is free of glioblastoma. / Master Thesis in Applied Biotechnology

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Les expériences suivantes testent l’hypothèse que la sérine/thréonine kinase p38α/β MAPK inhibe la rentrée dans le cycle cellulaire des cardiomyocytes ventriculaires de rats nouveau-nés (CVRNs), et induit l’expression d’un panel de cytokines/chimiokines inflammatoires. Le traitement des CVRNs par le phorbol 12,13-butyrate (PDBu), activateur de la protéine kinase C (PKC), aboutit au recrutement de l’isoforme conventionnelle (PKC-α) et des isoformes nouvelles (PKC-δ et PKC-ε) de PKC en l’absence de la rentrée dans le cycle cellulaire. Cette absence d’entrée dans le cycle cellulaire à la suite du traitement par PDBu est associée à une augmentation d’expression des ARNm des gènes qui bloquent la rentrée dans le cycle cellulaire. Les gènes comprennent Runx1(Runt-related transcription factor 1) et CDKN2a (cyclin-dependent kinase inhibitor 2A) également connu sous le nom de p16, inhibiteur du cycle cellulaire. En présence de l’inhibiteur de p38α/β MAPK, SB203580, le traitement PDBu induit une entrée dans le cycle cellulaire de deux populations distinctes de cardiomyocytes caractérisées par l’absence ou l’expression de novo de la protéine filamenteuse Nestine. En parallèle, le co-traitement PDBu/SB203580 atténue l’augmentation du niveau d’expression de l’ARNm de Runx1 et CDKN2a. L’inhibition pharmacologique du recrutement de PKC-α par GF109203X, inhibe sélectivement la rentrée dans le cycle cellulaire des CVRNs qui présentent une expression de novo de Nestine. En parallèle, le traitement par PDBu augmente le niveau d’ARNm d’un panel de cytokines inflammatoires et la co-administration de SB203580 inhibe cette réponse. Ces données révèlent que le cœur des rats nouveau-nés contient deux sous-populations distinctes de cardiomyocytes ventriculaires qui rentrent dans le cycle cellulaire à la suite d’un co-traitement PDBu / SB203580, et que la réponse proliférative est associée à une diminution des cytokines inflammatoires. Collectivement, ces résultats mettent en relief une nouvelle prémisse selon laquelle le recrutement de p38α/β MAPK médié par PKC-α joue un rôle central dans l’inhibition de l’entrée dans le cycle cellulaire et induit une réponse inflammatoire robuste par les CRVNs. / The following experiments test the hypothesis that the serine/threonine kinase p38α/β MAPK inhibits the cell cycle re-entry of neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NNVMs) and induces the expression of a panel of inflammatory cytokines/chemokines. Treatment of NNVMs with phorbol 12,13-butyrate (PDBu), an activator of protein kinase C (PKC), results in the recruitment of the conventional isoform (PKC-α) and novel isoforms (PKC-δ and PKC-ε) of PKC in the absence of cell cycle re-entry. This lack of cell cycle re-entry following PDBu treatment is associated with an increase in the expression of mRNA of genes that inhibit cell cycle re-entry. These genes include Runx1 (Runt-related transcription factor 1) and CDKN2a (cyclin-dependent kinase inhibitor 2A), also known as p16, a cell cycle inhibitor. In the presence of the p38α/β MAPK inhibitor, SB203580, PDBu treatment induces cell cycle re-entry in two distinct populations of cardiomyocytes characterized by the absence or de novo expression of the filamentous protein Nestin. In parallel, co-treatment with PDBu/SB203580 attenuates the increase in Runx1 and CDKN2a mRNA levels. Pharmacological inhibition of PKC-α recruitment by GF109203X selectively inhibits cell cycle re-entry of NNVMs exhibiting de novo Nestin expression. Additionally, PDBu treatment increases the mRNA levels of a panel of inflammatory cytokines, and co-administration of SB203580 inhibits this response. These data reveal that the heart of neonatal rats contain two distinct subpopulations of ventricular cardiomyocytes that re-enter the cell cycle following PDBu/SB203580 co-treatment, and that the proliferative response is associated with a decrease in inflammatory cytokines. Collectively, these results highlight a novel premise whereby p38α/β MAPK recruitment mediated by PKC-α plays a central role in inhibiting cell cycle re-entry and induces a robust inflammatory response by NNVMs.

Suite à un infarctus du myocarde, la formation d’une cicatrice, nommée fibrose de réparation, représente un processus adaptatif et essentiel empêchant la rupture du myocarde. La cicatrice est constituée de myofibroblastes, de cellules vasculaires, de fibres sympathiques ainsi que de cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine. Une perturbation au niveau de ces constituants cellulaires résulte en une formation maladaptative de la cicatrice et éventuellement, une diminution de la fonction cardiaque. La compréhension des événements cellulaires ainsi que les mécanismes sous-jacents participant à cette fibrose est alors d’une importance primordiale. Cette thèse est axée sur l’identification du rôle du système sympathique et des cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine dans la formation de la cicatrice ainsi que leur interaction potentielle. Nos travaux examinent l’hypothèse que les cellules souches neuronales exprimant la nestine sont endogènes au cœur et que suite à un dommage ischémique, elles contribuent à la réponse angiogénique et à la réinnervation sympathique du tissu lésé. Les cellules souches neuronales exprimant la nestine sont retrouvées dans les cœurs de différentes espèces incluant le cœur infarci humain. Elles sont résidentes dans le cœur, proviennent de la crête neurale lors du développement et sont intercalées entre les cardiomyocytes n’exprimant pas la nestine. Suite à leur isolation de cœurs infarcis de rats, les cellules souches neuronales cardiaques prolifèrent sous forme de neurosphères et, dans des conditions appropriées in vitro, se différencient en neurones exprimant le neurofilament-M. Suite à un infarctus du myocarde, les niveaux de l’ARNm de nestine sont significativement augmentés au niveau de la région infarcie et non-infarcie. Nos résultats suggèrent que cette augmentation de l’expression de nestine dans la cicatrice reflète en partie la migration des cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine de la région non-infarcie vers la région infarcie. Lors de la fibrose de réparation, ces cellules représentent un substrat cellulaire pour la formation de nouveaux vaisseaux et contribuent aussi à la croissance des fibres sympathiques dans la région infarcie. Finalement, nous démontrons que la formation de la cicatrice est associée à une innervation sympathique de la région infarcie et péri-infarcie. De plus, les fibres sympathiques présentes dans la région infarcie sont observées à proximité de vaisseaux de petits calibres. Ces données suggèrent indirectement que l’innervation de la cicatrice par les fibres sympathiques peut jouer un rôle dans la réponse angiogénique suite à un infarctus du myocarde. Suite à l’administration du corticostéroïde dexaméthasone, nous détectons un amincissement de la cicatrice, associé à une réduction significative des fibres sympathiques exprimant le neurofilament-M dans la région infarcie et péri-infarcie. La diminution de la densité de ces fibres par le dexaméthasone peut être reliée à une diminution de la prolifération des myofibroblastes et de la production de l’ARNm du facteur neurotrophique nerve growth factor. / GENERAL ABSTRACT Following myocardial infarction, scar formation represents an adaptive response required to heal the damaged myocardium and prevent cardiac rupture. Infarct healing requires the coordinated action of scar myofibroblasts, angiogenic cells, sympathetic fibres and nestin positive cardiac neural stem cells. A perturbation of one or more of the aforementioned events could lead to inadequate scar healing and further worsening of ventricular function. A better understanding of the cellular events and the underlying mechanisms involved in scar formation is of a primordial importance. The focus of the following studies consists of elucidating the role of the sympathetic system and cardiac neural stem cells during scar healing and their potential interaction. We tested the hypothesis that nestin positive neural stem cells are endogenous to the heart, contribute to angiogenesis and sympathetic innervation of the infarcted myocardium following ischemic injury. Nestin positive cardiac neural stem cells are found in a number of species including the infarcted human heart. Nestin positive cardiac neural stem cells represent a resident population in the heart, are derived from the neural crest and detected intercalated between nestin negative cardiac myocytes. Following their isolation from the infarcted rat heart, neural stem cells proliferate as a neurosphere and under appropriate in vitro conditions differentiate to a neurofilament-M immunoreactive neuron. Following myocardial infarction, nestin mRNA levels are significantly elevated in the viable left ventricle and infarct region. Our data further suggests that the increased expression of nestin in the infarct region reflects in part the migration of these neural stem cells from the viable myocardium. During cardiac wound healing, neural stem cells may represent a novel substrate for de novo blood vessel formation and further contribute to sympathetic fibre growth and innervation of the infarct region. Lastly, we demonstrate that scar formation and healing is associated with sympathetic fibre sprouting of the peri-infarct/infarct region. In addition, sympathetic fibres in the infarct region were detected in close proximity to small calibre blood vessels. These latter data indirectly suggest that innervating sympathetic fibres may play a role in angiogenesis during cardiac wound healing. Following the administration of the corticosteroid dexamethasone inadequate scar healing was observed and associated with a significant reduction of neurofilament-M immunoreactive fibres in the peri-infarct/infarct region. The loss of sympathetic fibre sprouting in the scar may be related to a dexamethasone-mediated suppression of myofibroblast growth and the concomitant reduction of nerve growth factor mRNA expression.