Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) and induced Plutipotent Stem Cells (iPSCs) in Domestic Animals: Characterization and Differentiation Potential

Derivation of stem cell lines from domesticated animals has been of great interest as it benefits translational medicine, clinical applications to improve human and animal health and biotechnology. The main types of stem cells studied are Embryonic Stem Cells (ESCs), induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) and Mesenchymal Stem/Stromal Cells (MSCs). This thesis had two main aims: (I) The isolation of bovine MSCs from amniotic fluid (AF) at different trimesters of pregnancy and their characterization to study pluripotency markers expression. Stemness markers were studied also in MSCs isolated from equine AF, Wharton’s jelly (WJ) and umbilical cord blood (UCB) as continuation of the characterization of these cells previously performed by our research group; (II) The establishment and characterization of iPSCs lines in two attractive large animal models for biomedical and biotechnology research such as the bovine and the swine, and the differentiation into the myogenic lineage of porcine iPSCs. It was observed that foetal tissues in domestic animals such as the bovine and the horse represent a source of MSCs able to differentiate into the mesodermal lineage but they do not proliferate indefinitely and they lack the expression of many pluripotency markers, making them an interesting source of cells for regenerative medicine, but not the best candidate to elucidate pluripotency networks. The protocol used to induce pluripotency in bovine fibroblasts did not work, as well as the chemical induction of pluripotency in porcine fibroblasts, while the reprogramming protocol used for porcine iPSCs was successful and the line generated was amenable to being differentiated into the myogenic lineage, demonstrating that they could be addressed into a desired lineage by genetic modification and appropriated culture conditions. Only a few cell types have been differentiated from domestic animal iPSCs to date, so the development of a reliable directed-differentiation protocol represents a very important result.

Contribution of vascular resident mesenchymal stromal cells to abdominal aortic aneurysm pathogenesis: increased MMP-9 expression and ineffective immunomodulation

Background. Ageing and inflammation are critical for the occurrence of aortic diseases. Extensive inflammatory infiltrate and excessive ECM proteloysis, mediated by MMPs, are typical features of abdominal aortic aneurysm (AAA). Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) have been detected within the vascular wall and represent attractive candidates for regenerative medicine, in virtue of mesodermal lineage differentiation and immunomodulatory activity. Meanwhile, many works have underlined an impaired MSC behaviour under pathological conditions. This study was aimed to define a potential role of vascular MSCs to AAA development. Methods. Aortic tissues were collected from AAA patients and healthy donors. Our analysis was organized on three levels: 1) histology of AAA wall; 2) detection of MSCs and evaluation of MMP-9 expression on AAA tissue; 3) MSC isolation from AAA wall and characterization for mesenchymal/stemness markers, MMP-2, MMP-9, TIMP-1, TIMP-2 and EMMPRIN. AAA-MSCs were tested for immunomodulation, when cultured together with activated peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). In addition, a co-colture of both healthy and AAA MSCs was assessed and afterwards MMP-2/9 mRNA levels were analyzed. Results. AAA-MSCs showed basic mesenchymal properties: fibroblastic shape, MSC antigens, stemness genes. MMP-9 mRNA, protein and enzymatic activity were significantly increased in AAA-MSCs. Moreover, AAA-MSCs displayed a weak immunosuppressive activity, as shown by PBMC ongoing along cell cycle. MMP-9 was shown to be modulated at the transcriptional level through the direct contact as well as the paracrine action of healthy MSCs. Discussion. Vascular injury did not affect the MSC basic phenotype, but altered their function, a increased MMP-9 expression and ineffective immunmodulation. These data suggest that vascular MSCs can contribute to aortic disease. In this view, the study of key processes to restore MSC immunomodulation could be relevant to find a pharmacological approach for monitoring the aneurysm progression.

Mesenchymal stromal cell: new applications for regenerative medicine

In the last decades mesenchymal stromal cells (MSC), intriguing for their multilineage plasticity and their proliferation activity in vitro, have been intensively studied for innovative therapeutic applications. In the first project, a new method to expand in vitro adipose derived-MSC (ASC) while maintaining their progenitor properties have been investigated. ASC are cultured in the same flask for 28 days in order to allow cell-extracellular matrix and cell-cell interactions and to mimic in vivo niche. ASC cultured with this method (Unpass cells) were compared with ASC cultured under classic condition (Pass cells). Unpass and Pass cells were characterized in terms of clonogenicity, proliferation, stemness gene expression, differentiation in vitro and in vivo and results obtained showed that Unpass cells preserve their stemness and phenotypic properties suggesting a fundamental role of the niche in the maintenance of ASC progenitor features. Our data suggests alternative culture conditions for the expansion of ASC ex vivo which could increase the performance of ASC in regenerative applications. In vivo MSC tracking is essential in order to assess their homing and migration. Super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have been used to track MSC in vivo due to their biocompatibility and traceability by MRI. In the second project a new generation of magnetic nanoparticles (MNP) used to label MSC were tested. These MNP have been functionalized with hyperbranched poly(epsilon-lysine)dendrons (G3CB) in order to interact with membrane glycocalix of the cells avoiding their internalization and preventing any cytotoxic effects. In literature it is reported that labeling of MSC with SPION takes long time of incubation. In our experiments after 15min of incubation with G3CB-MNP more then 80% of MSC were labeled. The data obtained from cytotoxic, proliferation and differentiation assay showed that labeling does not affect MSC properties suggesting a potential application of G3CB nano-particles in regenerative medicine.

Role of αvβ3 – Integrin and TLR2 in the innate response to Herpes Simplex Virus infection and Delivery of retargeted oncolytic Herpes Simplex via carrier cells

In the first part of my thesis I studied the mechanism of initiation of the innate response to HSV-1. Innate immune response is the first line of defense set up by the cell to counteract pathogens infection and it is elicited by the activation of a number of membrane or intracellular receptors and sensors, collectively indicated as PRRs, Patter Recognition Receptors. We reported that the HSV pathogen-associated molecular patterns (PAMP) that activate Toll-like receptor 2 (TLR2) and lead to the initiation of innate response are the virion glycoproteins gH/gL and gB, which constitute the conserved fusion core apparatus across the Herpesvirus. Specifically gH/gL is sufficient to initiate a signaling cascade which leads to NF-κB activation. Then, by gain and loss-of-function approaches, we found that αvβ3-integrin is a sensor of and plays a crucial role in the innate defense against HSV-1. We showed that αvβ3-integrin signals through a pathway that concurs with TLR2, affects activation/induction of interferons type 1, NF-κB, and a polarized set of cytokines and receptors. Thus, we demonstrated that gH/gL is sufficient to induce IFN1 and NF-κB via this pathway. From these data, we proposed that αvβ3-integrin is considered a class of non-TLR pattern recognition receptors. In the second part of my thesis I studied the capacity of human mesenchymal stromal cells isolated by fetal membranes (FM-hMSCs) to be used as carrier cells for the delivery of retargeted R-LM249 virus. The use of systemically administrated carrier cells to deliver oncolytic viruses to tumoral targets is a promising strategy in oncolytic virotherapy. We observed that FM-hMSCs can be infected by R-LM249 and we optimized the infection condition; then we demonstrate that stromal cells sustain the replication of retargeted R-LM249 and spread it to target tumoral cells. From these preliminary data FM-hMSCs resulted suitable to be used as carrier cells

Rilascio dei biomarkers di danno miocardico dopo iniezione diretta per via percutanea di cellule staminali e terapia genica

Aims: We aimed to quantify the release of bio-markers of myocardial damage in relation to direct intramyocardial injections of genes and stem cells in patients with severe coronary artery disease. Methods and Results: We studied 71 patients with “no-option” coronary artery disease. Patients had, via the percutaneous transluminal route, a total of 11±1 (mean ± SD) intramyocardial injections of vascular endothelial growth factor genes (n=56) or mesenchymal stromal cells (n=15). Injections were guided to an ischemic area by electromechanical mapping, using the NOGA™/Myostar™ catheter system. ECG was monitored continuously until discharge. Plasma CKMB (upper normal laboratory limit=5 μg/l) was 2 μg/l (2-3) at baseline; increased to 6 (5-9) after 8 hours (p < 0.0001) and normalized to 4 (3-5) after 24 hours. A total of 8 patients (17%), receiving a volume of 0.3 ml per injection, had CKMB rises exceeding 3 times the upper limit, whereas no patient in the group receiving 0.2 ml had a more than two fold CKMB increase. No patient developed new ECG changes. There were no clinically important ventricular arrhythmias and no death. Conclusion: Direct Intramyocardial injections of stem cells or genes lead to measurable release of cardiac bio-markers, which was related to the injected volume.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

Studio del ruolo della Protein chinasi B/Akt nella migrazione di Cellule Staminali Mesenchimali umane

Le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC) sono attualmente applicate in diversi studi clinici e la loro efficacia è spesso legata alla loro capacità di raggiungere il sito d’interesse. Poco si sa sul loro comportamento migratorio e i meccanismi che ne sono alla base. Perciò, questo studio è stato progettato per comprendere il comportamento migratorio delle hMSC e il coinvolgimento di Akt, nota anche come proteina chinasi B. L’espressione e la fosforilazione della proteinchinasi Akt è stata studiata mediante Western blotting. Oltre al time-lapse in vivo imaging, il movimento cellulare è stato monitorato sia mediante saggi tridimensionali, con l’uso di transwell, che mediante saggi bidimensionali, attraverso la tecnica del wound healing. Le prove effettuate hanno rivelato che le hMSC hanno una buona capacità migratoria. E’ stato osservato che la proteinchinasi B/Akt ha elevati livelli basali di fosforilazione in queste cellule. Inoltre, la caratterizzazione delle principali proteine di regolazione ed effettrici, a monte e a valle di Akt, ha permesso di concludere che la cascata di reazioni della via di segnale anche nelle hMSC segue un andamento canonico. Specifici inibitori farmacologici sono stati utilizzati per determinare il potenziale meccanismo coinvolto nella migrazione cellulare e nell'invasione. L’inibizione della via PI3K/Akt determina una significativa riduzione della migrazione. L’utilizzo di inibitori farmacologici specifici per le singole isoforme di Akt ha permesso di discriminare il ruolo diverso di Akt1 e Akt2 nella migrazione delle hMSC. E’ stato infatti dimostrato che l'inattivazione di Akt2, ma non quella di Akt1, diminuisce significativamente la migrazione cellulare. Nel complesso i risultati ottenuti indicano che l'attivazione di Akt2 svolge un ruolo critico nella migrazione della hMSC; ulteriori studi sono necessari per approfondire la comprensione del fenomeno. La dimostrazione che l’isoforma Akt2 è necessaria per la chemiotassi diretta delle hMSC, rende questa chinasi un potenziale bersaglio farmacologico per modulare la loro migrazione.

Studio dell'interazione di HIV-1 sulle cellule progenitrici ematopoietiche CD34+ (HPCs)

Oltre alla progressiva perdita dei linfociti T CD4, i pazienti HIV-infetti presentano diverse citopenie periferiche. In particolare l’anemia si riscontra nel 10% dei pazienti asintomatici e nel 92% di quelli con AIDS e la terapia cART non è in grado di risolvere tale problematica. I meccanismi patogenetici alla base di questa citopenia si ritiene che possano riguardare la deregolazione citochinica, il danno alle HPCs, alle cellule in differenziamento e alle cellule stromali. Le cellule progenitrici ematopoietiche CD34+, dopo essere state separate da sangue cordonale e differenziate verso la linea eritroide, sono state trattate con HIV-1 attivo, inattivato al calore e gp120. In prima istanza è stata messa in luce la mancata suscettibilità all’infezione e l’aumento dell’ apoptosi dovuto al legame gp120-CD4/CXCR4 e mediato dal TGF-β1 nelle cellule progenitrici indifferenziate. L’aspetto innovativo di questo studio però si evidenzia esaminando l’effetto di gp120 durante il differenziamento verso la filiera eritrocitaria. Sono stati utilizzati due protocolli sperimentali: nel primo le cellule sono inizialmente trattate per 24 ore con gp120 (o con HIV-1 inattivato al calore) e poi indotte in differenziamento, nel secondo vengono prima differenziate e poi trattate con gp120. Il “priming” negativo determina una apoptosi gp120-indotta molto marcata già dopo 48 ore dal trattamento ed una riduzione del differenziamento. Se tali cellule vengono invece prima differenziate per 24 ore e poi trattate con gp120, nei primi 5 giorni dal trattamento, è presente un aumento di proliferazione e differenziamento, a cui segue un brusco arresto che culmina con una apoptosi molto marcata (anch’essa dipendente dal legame gp120-CD4 e CXCR4 e TGF-β1 dipendente) e con una drastica riduzione del differenziamento. L’insieme dei risultati ha permesso di definire in modo consistente la complessità della genesi dell’anemia in questi pazienti e di poter suggerire nuovi target terapeutici in questi soggetti, già sottoposti a cART.

La terapia combinata di cellule mesenchimali stromali e aceinibitori riduce la fibrosi renale in un modello animale di ostruzione ureterale unilaterale

Le cellule mesenchimali stromali (MSC) sono cellule multipotenti e numerosi studi hanno mostrato i loro effetti benefici nel danno renale acuto ma non sono ancora stati dimostrati potenziali effetti nella malattia renale cronica. L'ostruzione ureterale unilaterale (UUO) è un modello di fibrosi interstiziale nel quale l'attivazione di molecole vasoattive, citochine profibrotiche e infiammatorie gioca un ruolo patogenetico nello sviluppo dell'apoptosi e atrofia tubulare. Il sistema renina-angiotensina (RAS) gioca un ruolo chiave nello sviluppo della fibrosi renale e i farmaci che hanno come target l'angiotensina II, principale mediatore del RAS, sono attualmente la terapia più efficace nel ridurre la progressione della malattia renale cronica. E' noto che gli ACE-inibitori (ACEi) inducono un aumento compensatorio della renina plasmatica per la mancaza del feedback negativo sulla sua produzione. Tuttavia, la renina (R) promuove il danno renale non solo stimolando la produzione di ANGII, ma anche up-regolando geni profibrotici attraverso l'attivazione del recettore renina/prorenina. Lo scopo dello studio è stato indagare se l'infusione di MSC riduceva il danno renalein un modello animale di UUO e comparare gli eventuali effetti protettivi di ACEi e MSC in UUO. Abbiamo studiato 5 gruppi di ratti. A: sham operati. B: ratti sottoposti a UUO che ricevevano soluzione salina. C: ratti sottoposti a UUO che ricevavano MSC 3X106 nella vena della coda al giorno 0. D:ratti sottoposti a UUO che ricevevano lisinopril dal g 1 al g 21. E: ratti sottoposti a UUO che ricevevano MSC 3X106 nella vena della coda al giorno 0 e lisinopril dal g 1 al g 21. I ratti sono stati sacrificati al giorno 7 e 21. I risultati dello studio mostrano che MSC in UUO prevengono l'aumento della renina, riducono la generazione di ANGII e che in terapia combinata con ACEi riducono ulteriormente l'ANGII, determinando una sinergia nel miglioramento della fibrosi renale.

Evaluation of 3D cell culture systems for host-pathogen interaction studies

Traditional cell culture models have limitations in extrapolating functional mechanisms that underlie strategies of microbial virulence. Indeed during the infection the pathogens adapt to different tissue-specific environmental factors. The development of in vitro models resembling human tissue physiology might allow the replacement of inaccurate or aberrant animal models. Three-dimensional (3D) cell culture systems are more reliable and more predictive models that can be used for the meaningful dissection of host–pathogen interactions. The lung and gut mucosae often represent the first site of exposure to pathogens and provide a physical barrier against their entry. Within this context, the tracheobronchial and small intestine tract were modelled by tissue engineering approach. The main work was focused on the development and the extensive characterization of a human organotypic airway model, based on a mechanically supported co-culture of normal primary cells. The regained morphological features, the retrieved environmental factors and the presence of specific epithelial subsets resembled the native tissue organization. In addition, the respiratory model enabled the modular insertion of interesting cell types, such as innate immune cells or multipotent stromal cells, showing a functional ability to release pertinent cytokines differentially. Furthermore this model responded imitating known events occurring during the infection by Non-typeable H. influenzae. Epithelial organoid models, mimicking the small intestine tract, were used for a different explorative analysis of tissue-toxicity. Further experiments led to detection of a cell population targeted by C. difficile Toxin A and suggested a role in the impairment of the epithelial homeostasis by the bacterial virulence machinery. The described cell-centered strategy can afford critical insights in the evaluation of the host defence and pathogenic mechanisms. The application of these two models may provide an informing step that more coherently defines relevant molecular interactions happening during the infection.