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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23412号 / 医博第4757号 / 新制||医||1052(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)特定拠点教授 妻木 範行, 教授 戸口田 淳也, 教授 松田 秀一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Supplementary information 追加（2019-09-30) / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21344号 / 医博第4402号 / 新制||医||1031(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 柳田 素子, 教授 山下 潤, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

This thesis focuses on fundamental aspects of microfluidic systems and applies relevant findings to innovative designs for advanced particle manipulation applications. Computational Fluid Dynamics (CFD) is adopted for fluid modeling, based on the Finite Volume method. The accuracy of the solutions obtained is confirmed by grid sensitivity analysis and by comparisons with experimental work. Curved microchannel features and the induced Dean flow are studied through a parametric space exploration and simulations. The Lagrange-Euler coupling method – Surface Marker Point methodology – is applied to simulate large-size particles (of comparable size to the channel). Through this simulation approach, all the forces on such particles are directly derived through solving the governing equations and the influence of these particles on the flow is considered in a fully coupled manner. A new approach – the Frozen Flow & Flow Correction Coefficient method – is developed, making trans-relaxation-time simulations possible and improving computational efficiency significantly, for 3D simulations of arbitrary shape and size microparticles in complicated microfluidic channels. Detailed comparisons between simulation results and experiments involving particle sedimentation and particle equilibrium position have been conducted for methodology validation. Mechanisms of hydrodynamic particle manipulation are then studied, including hydrodynamic focusing and separation. It is found that the Tubular Pinch effect, Dean flow and the Radial Pressure Gradient effect interact to yield two distinct particle separation mechanisms. For advanced applications, particle focusing, non-magnetic and magnetic separation for neutrally buoyant particles are proposed, based on newly gained insight on the above-mentioned mechanisms. Appropriate channel designs have been proposed both for particle focusing and size-based particle separation, while the vertical-magnetic-Dean separation scheme is highlighted for magnetic separation. Finally, a new integrated system is proposed, that combines the above novel designs into a device-like ensemble. It promises to offer functionality for biomaterial separation and detection, including different types of cells, antigens and biomarkers.

Human hematopoietic stem cells (HSCs) are defined by their capacity to self-renew and to differentiate into all blood lineages during an adult lifetime. Based on these unique properties, HSCs are used in transplantation procedures to treat various hematological diseases. However, the low number of HSCs in a graft limits the use of this treatment. To overcome this restrain, different approaches were established to expand HSCs ex vivo; yet, the absence of a reliable surface maker that correlates with HSC activity in culture made the assessment labor-intensive and time-consuming. Using a library of small molecules, we were able to identify pyrimidoindole derivative named UM171 as an agonist for HSC self-renewal. UM171 promotes ex vivo expansion of hematopoietic and stem cell progenitors (HSPC) independently of AhR suppression- a pathway reported by Boitano et al. to have the greatest effect in HSC expansion. Unlike AhR suppression that targets a hematopoietic population with limited proliferative potential, UM171 targets the long-term HSCs. Transcriptome analysis showed that UM171 reduces the levels of transcripts associated with lineage differentiation and induces the expression of genes encoding for membrane proteins, one of the best differentially expressed being the endothelial protein c receptor (EPCR). Cell sorting and transplantation experiments of EPCR expressing cells showed a high correlation with HSC activity. We demonstrated EPCR as a first reliable marker to enrich for HSC in culture and that it is required for HSPC function in vivo. These findings provide a valuable tool for clinical and research applications to optimize further HSPC expansion protocols and understand the molecular machinery that governs the HSC self-renewal. / Le terme de cellules souches hématopoïétiques (CSH) désigne une population rare de cellules capables de générer l’ensemble des lignages hématopoïétiques. Cette définition implique une capacité d’auto-renouvèlement, ainsi qu'un potentiel de prolifération et de différenciation important. La greffe de cellules souches hématopoïétiques est aujourd'hui une modalité thérapeutique pour le traitement de diverses maladies hématologiques et représente pour de nombreux patients un traitement de dernier recours. Malheureusement, le nombre limité de ces cellules dans une unité de sang de cordon est à l’origine du faible taux de réussite des greffes de sang de cordon chez l'adulte. Plusieurs stratégies sont actuellement mises en place pour permettre la multiplication de ces CSH ex vivo. Cependant, Il n’y a jusqu’à ce jour aucun critère ou marqueur phénotypique fiable permettant spécifiquement d'identifier ou d'isoler ces CSH amplifiées, et leur caractérisation reste un défi majeur pour les chercheurs. Dans le laboratoire, nous avons effectué un criblage à haut débit afin de tester le potentiel d’un grand nombre de molécules chimiques à multiplier des cellules souches dérivées de sang de cordon ombilical et nous avons ainsi identifié la molécule UM171, un dérivé pyrimido-indole, qui permet de multiplier par 10 le nombre de CSH et par 100 leur descendance. Nous avons démontré qu' UM171 permet de multiplier les CSH sans affecter la voie de signalisation de la protéine AhR, récemment impliquée dans l'auto-renouvèlement des CSH. L'analyse du transcriptome des CSH exposées à la molécule UM171 a permis d'identifier le récepteur endothélial à la protéine C (EPCR), comme marqueur de surface permettant de prédire le nombre et l'activité des CSH en culture et par conséquent de les isoler et de mieux les caractériser. En combinant des techniques de cytométrie de flux et d'ARN interférents avec des expériences de transplantation à long terme dans des souris immuno-déficientes, nous avons pu démontrer qu' EPCR peut être considéré non seulement comme un premier marqueur fiable pour enrichir les CSH en culture mais aussi qu'il est nécessaire pour la fonction de ces CSH in vivo. Les résultats de ces travaux représentent une avancée majeure pour accélérer les recherches et les applications cliniques sur l'expansion des CSH ex vivo et permettra de comprendre les mécanismes moléculaires qui régissent l'auto-renouvèlement des CSH.