Mesenchymal stem cells (MSCs) derived from human adipose tissue and umbilical cord (Wharton’s jelly, UCB) represent a useful source of adult stem cells for cellular therapy and tissue engineering. The biggest concern with the use of MSCs therapeutically relates to their isolation and growth/manipulation ex vivo. This study aimed to establish methods for the routine isolation and characterization of MSCs from human tissues. The objectives were (1) to show that MSCs could be isolated from different human tissues, namely adipose tissue, Wharton’s jelly, and UCB; (2) to confirm the MSC phenotypic profile over at least 10 passages; and (3) to show the multilineage differentiation capacity of the isolated cells. The minimal criteria as defined by the International Society for Cellular Therapy (ISCT) were used to determine whether MSCs were successfully isolated from various human tissues. Two different techniques involving enzymatic digestion or explant cultures were utilized, and compared for isolating MSCs from Wharton’s jelly. Umbilical cord blood has been suggested as another source of MSCs. However, we were unable to grow MSCs from UCB. Proliferation kinetics of isolated MSCs revealed that cords, either from digested cords or cord pieces had a mean PDT from passage 1 to 4 that was approximately 3 fold lower than for the ASCs. Mesenchymal stem cells from adipose tissue and Wharton’s jelly expressed the classical MSC phenotype (CD73+, CD90+, CD105+, CD34-, and CD45-). The cells from Wharton’s jelly showed a more uniform MSC profile over passages, with higher levels of marker expression when compared to ASCs. Variability in phenotype was observed in early ASC passages, whereas WJ-MSCs seemed to attain the MSC phenotype as early as passage 0 for both isolation techniques. Low levels of CD34 positive cells remained in the ASCs. Oil red O staining was used for identifying the lipid droplets in adipogenic differentiation cultures. A colorimetric assay as well as image analysis was used to quantify the differentiation. For the cord samples, both assays produced positive results. Histological examination, however, revealed that the cords did not form lipid droplets. The ASCs showed a statistically significantly greater differentiation capacity into adipocytes compared with the cords (pooled digested and pieces data). Alizarin red S staining was used for identifying calcium deposition during matrix mineralization in osteogenic differentiation cultures. No significant differences in osteogenic differentiation were observed between ASCs and WJ-MSCs. Chondrogenic differentiation was observed for both MSC sources by positive staining of glycosaminoglycans using toluidine blue O. The main findings of the study showed that MSCs, according to the ISCT guidelines, were successfully harvested from adipose tissue. However, due to the lack of adipogenic differentiation of WJ-derived cells, they did not meet the ISCT guidelines to be classified as MSCs, and were referred to as MSC-like cells. Regardless of the isolation technique used, Wharton’s jelly yielded cells with similar proliferation capacity, phenotype, and differentiation capacity. This study did, however, reveal that biological differences do exist between stem cells from different sources. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2013. / gm2014 / Immunology / unrestricted

Les cellules stromales/souches mésenchymateuses de la gelée de Wharton humaines (CSM-WJ) représentent une source abondante et intéressante de cellules souches pour des applications en ingénierie cellulaire et tissulaire. Leur origine fœtale leur confère des caractéristiques spécifiques par rapport aux cellules stromales/souches mésenchymateuses isolées à partir de moelle osseuse humaine (CSM-MO). Tout d'abord, le but de ce travail est d'optimiser les conditions de culture des CSM-GW pour leur utilisation clinique ultérieure. Nous nous concentrons sur l'influence de la concentration en oxygène lors de l'expansion en monocouche de P1 à P7 sur plusieurs paramètres permettant de caractériser les CSM. Les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus avec les CSM-MO. Notre travail a montré des différences entre les deux sources cellulaires en termes de prolifération et de différenciation adipocytaire. D’après nos résultats, l'hypoxie, au cours de l'expansion, est un paramètre important à prendre en compte en ce qui concerne la prolifération et le potentiel de différenciation chondrocytaire. L'influence des facteurs obstétricaux sur les caractéristiques des CSM-GW est également explorée. Cette étude se situant également dans le cadre de l’ingénierie tissulaire du cartilage, la seconde phase du projet consiste à induire la différenciation des cellules en chondrocytes en ensemençant ces dernières dans un biomatériau à base d’alginate et d’acide hyaluronique, et sur une cinétique de 28 jours. Les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus avec les CSM-MO. Après 4 semaines de culture, les CSM-GW sont capables de s'adapter à leur environnement et d’exprimer des gènes et des protéines matriciels spécifiques du cartilage tels que le collagène de type 2, qui se trouve plus exprimé après différenciation à partir des CSM-GW qu’à partir de CSM-MO / Mesenchymal Stromal/Stem Cells from human Wharton’s jelly (WJ-MSC) are an abundant and interesting source of stem cells for applications in cell and tissue engineering. Their fetal origin confers specific characteristics compared to Mesenchymal Stromal/Stem Cells isolated from human bone marrow (BM-MSC). First, the aim of this work is to optimize WJ-MSC culture conditions for their subsequent clinical use. We focus on the influence of oxygen concentration during monolayer expansion on several parameters to characterize MSC. The results are compared to those obtained with BM-MSC. Our work distinguishes WJ-MSC from BM-MSC in terms of proliferation and adipogenic differentiation. Considering our results, hypoxia during cell expansion is an important parameter to take into account regarding proliferation potential but also chondrogenic differentiation potential. The influence of obstetric factors on WJ-MSC characteristics is also explored. In cartilage tissue engineering context, the second phase of the project is to induce cell differentiation into chondrocytes by seeding them in Alginate/Hyaluronic Acid hydrogel scaffold, and during 28 days. The results obtained are compared to those obtained with BM-MSC. After 4 weeks of culture, WJ-MSC are able to adapt to their environment and express specific cartilage-Related genes and matrix proteins such as type 2 collagen, which is found more expressed after differentiation fromWJ-MSC, than from BM-MSC

Le choc septique est actuellement la dixième cause de mortalité à travers le monde à égalité avec les infarctus du myocarde. Sa physiopathologie extrêmement complexe, entrelaçant un état pro-inflammatoire et anti-inflammatoire, rend caduque l’action des thérapeutiques conventionnelles. En ce sens, les recherches s’orientent vers les thérapeutiques innovantes et notamment les cellules souches/stromales mésenchymateuses (CSM). En effet, les études murines ont mis en évidence que les CSM étaient en mesure, notamment par leurs actions paracrines, d’améliorer la survie, la défaillance d’organes mais également la bactériémie de souris soumises à un choc septique. Cependant, les propriétés des CSM varient en fonction du tissu dont elles sont issues et particulièrement selon qu’elles proviennent de tissus fœtaux (cordon ombilical, placenta, liquide amniotique) ou adultes (moelle osseuse, tissu adipeux...). Ainsi, notre premier objectif a été de comparer, dans un modèle murin de choc septique, l’action des CSM issues de la moelle osseuse (MO) à celle des CSM issues de la gelée de Wharton (GW) du cordon ombilical. Cette étude murine a permis de mettre en évidence une action quelque peu différente, entre les CSM-GW et les CSM-MO, sur la physiopathologie du choc septique sans que pour autant, l’une des deux sources de CSM, ne se dégage significativement de l’autre en termes d’efficacité. Cependant, en raison de leur importante capacité de prolifération et de l’accessibilité du tissu source, les CSM-GW apparaissent comme étant nettement plus avantageuses que les CSM-MO. En conséquence, notre deuxième objectif a été d’évaluer l’action des CSM-GW dans un modèle porcin de péritonite afin de se rapprocher un peu plus près de la clinique humaine. Cette étude, menée en double aveugle et en présence continue d’un médecin réanimateur expérimenté, a permis de mettre en évidence que les CSM-GW, produites en grade clinique et utilisées juste après décongélation, étaient en mesure d’améliorer la survie, les paramètres hémodynamiques ainsi que les défaillances d’organes, selon un mécanisme d’action différent de celui rapporté par les études murines / Septic shock, equal to the myocardial infraction, is currently the tenth cause of death in the world. The pathophysiological complexity of this syndrome, with a simultaneous pro and anti- inflammatory state, results in the failure of conventional treatments. In this sense, research is focusing on innovative therapeutics agent, including mesenchymal stem cells (MSC). Indeed, murine studies of septic shock showed that MSC improve organ injuries, bacteremia and survival by notably a paracrine mechanism. However, MSC properties vary according to the source tissue, especially if they are derived from a fetal tissue (Wharton’s jelly (WJ), placenta amniotic fluid) or an adult tissue (bone marrow (BM), adipose tissue...). Our first objective was to compare, in a septic shock murine model, the effect of BM-MSC with that of WJ-MSC. Although some differences were observed, the same efficiency was demonstrated between these two sources. However, WJ-MSC present large advantages in comparison to BM-MSC due to their important proliferation capacities and potential quantities of umbilical cord donation. Consequently, our second objective was to investigate the effect of WJ-MSC administration in a relevant pig model of peritonitis in order to better mimic a clinical approach in humans. This study, conducted in double-blind and in presence of an experimented intensivist, showed that WJ-MSC produced in clinical grade and used immediately after thawing, improve survival, hemodynamic parameters and organ injuries by another action than that described in murine studies

Dans le domaine de l'ingénierie du cartilage, les hydrogels à base d'alginate (Alg) et de cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont utilisés comme biomatériaux pouvant être utilisés pour combler des lésions cartilagineuses plus ou moins profondes. Cependant, pour reproduire l’organisation zonale du cartilage, des biomatériaux multiphasiques sont nécessaires. Afin de guider la différenciation des CSM dans les différentes strates du biomatériau, sans apports de facteurs de croissance, des composants naturels du cartilage (acide hyaluronique, HA) ou de la matrice osseuse (hydroxyapatite, Hap) peuvent être ajoutés à l’alginate. L’objectif de ce travail de thèse consiste à analyser l’impact de la composition de biomatériaux à base d’alginate enrichi soit en HA soit en Hap sur le comportement des CSM. La première partie de notre travail à consister à évaluer le comportement des CSM issues de la gelée de Wharton dans ces hydrogels. Nos résultats mettent en évidence que les hydrogels d’Alg/Hap possèdent non seulement de meilleures propriétés mécaniques que les hydrogels Alg/HA et favorisent la viabilité des CSM ainsi que leur différenciation par rapport aux CSM ensemencées dans un hydrogel d’Alg/HA. La méthode de stérilisation du biomatériau représente une étape incontournable, dont on doit impérativement évaluer les multiples effets, en particulier pour ce qui touche au comportement des cellules, mais aussi au maintien de l’intégrité des propriétés physicochimiques de l'hydrogel. Ainsi, dans une seconde partie du travail, nous avons montré que le traitement de stérilisation par autoclave induisait un effet négatif sur les caractéristiques initiales de l'hydrogel à base d'alginate. Il ressort également de cette investigation sur les modes de stérilisation, que la stérilisation des hydrogels avec des UV est plus efficace et permet de préserver au mieux les propriétés spécifiques de l'hydrogel, notamment de l’Alg/HA. Enfin, dans une troisième partie de notre travail, nous avons évalué l’évolution des propriétés mécaniques au cours de la différenciation et l’impact de celles-ci sur la différenciation des CSM ainsi que sur leurs propriétés immunomodulatrices. À partir de ces résultats, nous avons montré que les caractéristiques physico-chimiques des hydrogels d’Alg/ha et Alg/hap influençaient non seulement le potentiel de différenciation des CSM-GW mais également la sécrétion des facteurs solubles impliqués dans l’immunomodulation. Ces propriétés physico-chimiques étant influencées dès le procédé de stérilisation, il est alors conseillé de les prendre en compte dans toutes les étapes de l’ingénierie tissulaire / In the field of cartilage engineering, alginate (Alg)-based hydrogels and mesenchymal stem cells (MSC) are widely used as raw biomaterials and stem cells which can be used to fill cartilage lesions of varying depth. However, to reproduce the zonal organization of articular cartilage, a graft multilayer is necessary. In order to guide the differentiation of MSCs in different strata of the biomaterials, without input of growth factors, natural cartilage components (hyaluronic acid, HA) or bone matrix (hydroxyapatite, Hap) can be added into the alginate. The aim of this work is to analyze the impact of the composition of alginate enriched either in HA or in Hap on the behavior of MSCs. The first part of our work is to evaluate the behavior of WJ-MSCs into these hydrogels. Our results have shown that Alg/ Hap hydrogels not only possess better mechanical properties than Alg/HA hydrogels, but also promote the viability of MSCs and their differentiation from MSC seeded into the Alg/HA hydrogel. The sterilization method of biomaterial is an essential step, the multiple effects of which must be evaluated, in particular as regards the behavior of the cells, but also to maintain the integrity of the physicochemical properties of hydrogel. Thus, in a second part of this work, we showed that the autoclave sterilization treatment induced a negative effect on the initial characteristics of alginate hydrogel. It is also apparent from this investigation of the sterilization modes that the sterilization of hydrogels with UV is more efficient and makes it possible to preserve the specific properties of the hydrogel as best as possible, in particular Alg/HA. Finally, in a third part of our work, we also evaluated the evolution of the mechanical properties during the differentiation and the impact of these on the differentiation of MSCs and their immunomodulatory properties. From these results, we have shown that the physico-chemical characteristics of Alg / ha and Alg/hap hydrogels influence not only the differentiation potential of WJ-MSC but also the secretion of soluble factors involved in immunomodulation. Since these physicochemical properties are influenced by the sterilization process, it is advisable to take them into account in all stages of tissue engineering

L'ingénierie tissulaire du ligament constitue une approche prometteuse pour réparer ou remplacer un ligament endommagé. Les trois piliers essentiels de l'ingénierie tissulaire ligamentaire sont la matrice de support (aussi appelée scaffold), la source cellulaire, ainsi que l'apport de stimulations biomécaniques/biochimiques : ces trois piliers ont été partiellement étudiés par le passé dans le but de s’orienter vers une régénération ligamentaire. Dans la présente étude, le polymère synthétique poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) et la soie ont été proposés et comparés comme de potentiels candidats pour la constitution d’une matrice de support. Une série de matrices tressées multicouches à base de PLCL et de soie, ainsi qu'un nouveau composite soie/PLCL ont été développés et comparés. Les caractérisations physico-chimiques et biologiques ont démontré que le PLCL et la soie constituent des candidats pertinents, tant sur les plans mécaniques que biologiques, pour la constitution d’une matrice de support. De plus, nous avons montré que le composite soie/PLCL offrait des propriétés mécaniques et une biocompatibilité accrue par rapport aux autres matrice testées, et constituait probablement le candidat le plus approprié pour l'ingénierie tissulaire du ligament. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) de la gelée de Wharton (WJ-MSCs) ainsi que les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (BM-MSCs) ont été évaluées et comparées en tant que sources cellulaires potentielles pour la régénération ligamentaire. Les caractéristiques biologiques de ces cellules incluent l’adhésion cellulaire, la prolifération, la migration et la synthèse de matrice extracellulaire. Ces deux types de cellules ont montré une bonne biocompatibilité dans leurs interactions avec les matrices de support en PLCL et en soie. Aucune différence significative n'a été observée entre les WJ-MSCs et les BM-MSCs. Enfin, l'effet de la stimulation biomécanique sur la différentiation des CSM en tissu ligamentaire a été évalué par le biais d’un bioréacteur de traction-torsion. Bien que peu de cellules aient été détectées la matrice après 7 jours de stimulation, des CSM de forme allongée le long des fibres ont été détectées, ce qui permet de penser qu'il est possible de promouvoir la différenciation des biosubstituts matrice-cellules grâce à la stimulation mécanique en bioréacteur. En conclusion, cette étude démontre le potentiel prometteur de l’association de cellules souches mésenchymateuses issues de la gelée de Wharton ou de la moelle osseuse avec une matrice de support composite soie/PLCL pour la régénération ligamentaire dans le futur. / Ligament tissue engineering offers a potential approach to recover or replace injured ligament. The three essential elements that have been investigated towards ligament regeneration consist in a suitable scaffold, an adapted cell source, and the supply of biomechanical/biochemical stimulations. In the current study, synthetic polymer poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) and silk have been evaluated as suitable candidates to constitute an adapted scaffold. A series of multilayer braided scaffolds based on PLCL and silk, as well as an original silk/PLCL composite scaffold, have been developed and compared. The conducted physicochemical and biological characterizations have demonstrated that both PLCL and silk constitute adapted candidate material to form ligament scaffolds from the mechanical and biological points of view. Moreover, it has been observed that silk/PLCL composite scaffold resulted in adequate mechanical properties and biocompatibility, and therefore could constitute suitable candidate scaffolds for ligament tissue engineering. Both Wharton’s Jelly mesenchymal stem cells (WJ-MSCs) and Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) have been evaluated to be cell source for ligament regeneration. MSCs behaviors including cell attachment, proliferation, migration and extracellular matrix synthesis have been investigated. In the present study, both MSCS showed a good biocompatibility to interact with PLCL and silk scaffolds. No significant differences have been detected between WJ-MSCs and BM-MSCs. Finally, the effect of biomechanical stimulation on MSCs differentiation towards ligament tissue has been carried out with a tension-torsion bioreactor. Although few cells were detected on scaffold after 7 days of stimulation, MSCs were observed to exhibit an elongated shape along the longitudinal direction of fibers, which may indicate that an adapted mechanical stimulation could promote MSC-scaffold constructs differentiation towards ligamentous tissue. As a conclusion, this study demonstrates the potential of WJ-MSCs and BM-MSCs combined with a new silk/PLCL composite scaffold towards ligament regeneration.