Vascular wall stem cells. Selection and conditioning of progenitors useful for cell therapy. A pathological case study

The arterial wall contains MSCs with mesengenic and angiogenic abilities. These multipotent precursors have been isolated from variously-sized human adult segments, belying the notion that vessel wall is a relatively quiescent tissue. Recently, our group identified in normal human arteries a vasculogenic niche and subsequently isolated and characterized resident MSCs (VW-MSCs) with angiogenic ability and multilineage potential. To prove that VW-MSCs are involved in normal and pathological vascular remodeling, we used a long-term organ culture system; this method was of critical importance to follow spontaneous 3-D vascular remodeling without any influence of blood cells. Next we tried to identify and localize in situ the VW-MSCs and to understand their role in the vascular remodeling in failed arterial homografts. Subsequently, we isolated this cell population and tested in vitro their multilineage differentiation potential through immunohistochemical, immunofluorescence, RT-PCR and ultrastructural analysis. From 25-30cm2 of each vascular wall homograft sample, we isolated a cell population with MSCs properties; these cells expressed MSC lineage molecules (CD90, CD44, CD105, CD29, CD73), stemness (Notch-1, Oct-4, Sca-1, Stro-1) and pericyte markers (NG2) whilst were negative for hematopoietic and endothelial markers (CD34, CD133, CD45, KDR, CD146, CD31 and vWF). MSCs derived from failed homografts (H-MSCs) exhibited adipogenic, osteogenic and chondrogenic potential but scarce propensity to angiogenic and leiomyogenic differentiation. The present study demonstrates that failed homografts contain MSCs with morphological, phenotypic and functional MSCs properties; H-MSCs are long-lived in culture, highly proliferating and endowed with prompt ability to differentiate into adipocytes, osteocytes and chondrocytes; compared with VW-MSCs from normal arteries, H-MSCs show a failure in angiogenic and leiomyogenic differentiation. A switch in MSCs plasticity could be the basis of pathological remodeling and contribute to aneurysmal failure of arterial homografts. The study of VW-MSCs in a pathological setting indicate that additional mechanisms are involved in vascular diseases; their knowledge will be useful for opening new therapeutic options in cardiovascular diseases.

Resident angiogenic mesenchymal stem cells from multiorgan donor thoracic aortas

Stem cells are one of the most fascinating areas of biology today, and since the discover of an adult population, i.e., adult Stem Cells (aSCs), they have generated much interest especially for their application potential as a source for cell based regenerative medicine and tissue engineering. aSCs have been found in different tissues including bone marrow, skin, intestine, central nervous system, where they reside in a special microenviroment termed “niche” which regulate the homeostasis and repair of adult tissues. The arterial wall of the blood vessels is much more plastic than ever before believed. Several animal studies have demonstrated the presence of cells with stem cell characteristics within the adult vessels. Recently, it has been also hypothesized the presence of a “vasculogenic zone” in human adult arteries in which a complete hierarchy of resident stem cells and progenitors could be niched during lifetime. Accordingly, it can be speculated that in that location resident mesenchymal stem cells (MSCs) with the ability to differentiate in smooth muscle cells, surrounding pericytes and fibroblasts are present. The present research was aimed at identifying in situ and isolating MSCs from thoracic aortas of young and healthy heart-beating multiorgan donors. Immunohistochemistry performed on fresh and frozen human thoracic aortas demonstrated the presence of the vasculogenic zone between the media and the adventitial layers in which a well preserved plexus of CD34 positive cells was found. These cells expressed intensely HLA-I antigens both before and after cryopreservation and after 4 days of organ cultures remained viable. Following these preliminary results, we succeeded to isolate mesenchymal cells from multi-organ thoracic aortas using a mechanical and enzymatic combined procedure. Cells had phenotypic characteristics of MSC i.e., CD44+, CD90+, CD105+, CD166+, CD34low, CD45- and revealed a transcript expression of stem cell markers, e.g., OCT4, c-kit, BCRP-1, IL6 and BMI-1. As previously documented using bone marrow derived MSCs, resident vascular wall MSCs were able to differentiate in vitro into endothelial cells in the presence of low-serum supplemented with VEGF-A (50 ng/ml) for 7 days. Under the condition described above, cultured cells showed an increased expression of KDR and eNOS, down-regulation of the CD133 transcript, vWF expression as documented by flow cytometry, immunofluorescence, qPCR and TEM. Moreover, matrigel assay revealed that VEGF induced cells were able to form capillary-like structures within 6 hours of seeding. In summary, these findings indicate that thoracic aortas from heart-beating, multi-organ donors are highly suitable for obtaining MSCs with the ability to differentiate in vitro into endothelial cells. Even though their differentiating potential remains to be fully established, it is believed that their angiogenic ability could be a useful property for allogenic use. These cells can be expanded rapidly, providing numbers which are adequate for therapeutic neovascularization; furthermore they can be cryostored in appropriate cell banking facilities for later use.

Controllo molecolare del differenziamento osteoblestico per applicazioni nel campo della rigenerazione del tessuto osseo

The aim of the study was to identify expression signatures unique for specific stages of osteoblast differentiation in order to improve our knowledge of the molecular mechanisms underlying bone repair and regeneration. We performed a microarray analysis on the whole transcriptome of human mesenchymal stem cells (hMSCs) obtained from the femoral canal of patients undergoing hip replacement. By defining different time-points within the differentiation and mineralization phases of hMSCs, temporal gene expression changes were visualised. Importantly, the gene expression of adherent bone marrow mononuclear cells, being the undifferentiated progenitors of bone cells, was used as reference. In addition, only the cultures able to form mineral nodules at the final time-point were considered for the gene expression analyses. To obtain the genes of our interest, we only focused on genes: i) whose expression was significantly upregulated; ii) which are involved in pathways or biological processes relevant to proliferation, differentiation and functions of bone cells; iii) which changed considerably during the different steps of differentiation and/or mineralization. Among the 213 genes identified as differentially expressed by microarray analysis, we selected 65 molecular markers related to specific steps of osteogenic differentiation. These markers are grouped into various gene clusters according to their involvement in processes which play a key role in bone cell biology such as angiogenesis, ossification, cell communication, development and in pathways like TGF beta and Wnt signaling pathways. Taken together, these results allow us to monitor hMSC cultures and to distinguish between different stages of differentiation and mineralization. The signatures represent a useful tool to analyse a broad spectrum of functions of hMSCs cultured on scaffolds, especially when the constructs are conceived for releasing growth factors or other signals to promote bone regeneration. Morover, this work will enhance our understanding of bone development and will enable us to recognize molecular defects that compromise normal bone function as occurs in pathological conditions.

Mastocitosi cutanee: il mastocitoma in età pediatrica

Background: Mastocytosis is a rare disease involving mast cells (MC) and their CD34+ progenitors. According to the WHO consensus classification, cutaneous mastocytosis (CM) is considered a benign disease confined to the skin, preferentially seen in young children with a marked tendency to regress spontaneously. Aim of our study was the long-term assessment of the outcome of solitary (SM) and multiple (MM) mastocytomas in a pediatric population. Materials and methods: From January 1996 to December 2010, 241 pediatric patients with a diagnosis of CM were followed-up at the outpatient division of pediatric dermatology of the University of Bologna. We focused our retrospective evaluation on patients affected by SM or MM. We collected, through the analysis of medical records and with a telephone questionnaire for patients and their families, information on clinical aspects of the disease evolution and on the efficacy of topical steroid therapy. Results: Over the 241 considered patients we recorded: SM or MM in 176 (73%) pts., urticaria pigmentosa in 53 (22%) pts., telangiectasia macularis eruptiva perstans in 9 (4%) pts., diffuse CM in 2 (0,9%) pts. and polymorph CM in 1 (0,4%) pt. On 176 children affected by SM or MM (97 M vs. 79 F), 130 (74%) patients were followed-up with a mean of 56,3 (r. 4-142) months. A satisfactory outcome was recorded in 99 (76%) cases of whom 52 (53%) treated with topic steroids. Mean time to complete regression was 16.4 m. on treated patients vs. 34.7 m. on non treated patients (p=0,001). Conclusions: From our study emerged that resolution of the disease is independent from therapy, but the time to regression and to complete recovery of the coetaneous lesions is faster and favored by the application of topic steroid with an improvement of the quality of life for children and their families.

Characterization of vascular wall progenitor cells and their role in therapeutic angiogenesis and Monckeberg's sclerosis

Recently, the existence of a capillary-rich vasculogenic zone has been identified in adult human arteries between the tunica media and adventitia; in this area it has been postulated that Mesenchymal Stem Cells (MSCs) may be present amidst the endothelial progenitors and hematopoietic stem cells. This hypothesis is supported by several studies claiming to have found the in vivo reservoir of MSCs in post-natal vessels and by the presence of ectopic tissues in the pathological artery wall. We demonstrated that the existence of multipotent progenitors is not restricted to microvasculature; vascular wall resident MSCs (VW-MSCs) have been isolated from multidistrict human large and middle size vessels (aortic arch, thoracic aorta and femoral artery) harvested from healthy multiorgan donors. Each VW-MSC population shows characteristics of embryonic-like stem cells and exhibits angiogenic, adipogenic, chondrogenic and leiomyogenic potential but less propensity to osteogenic ifferentiation. Human vascular progenitor cells are also able to engraft, differentiate into mature endothelial cells and support muscle function when injected in a murine model of hind limb ischemia. Conversely, VW-MSCs isolated from calcified femoral arteries display a good response to osteogenic commitment letting us to suppose that VW-MSCs could have an important role in the onset of vascular pathologies such as Mönckeberg sclerosis. Taken together these results show two opposite roles of vascular progenitor cells and underline the importance of establishing their in vivo pathological and regenerative potential to better understand pathological events and promote different therapeutic strategies in cardiovascular research and clinical applications.

Meccanismi replicativi e di regolazione dell'espressione genica di Parvovirus B19

Il Parvovirus B19, virus patogeno umano della famiglia Parvoviridae, mostra uno specifico tropismo per i precursori eritroidi e una limitata replicazione in alcune linee cellulari megacarioblastoidi. Allo scopo di sviluppare sistemi utili allo studio delle caratteristiche biologiche del virus, diversi laboratori si sono occupati della costruzione di cloni genomici di B19 dotati di competenza funzionale e capaci di generare virus infettante. Parte del presente lavoro ha riguardato l’analisi funzionale di diversi cloni genomici di B19 e ha permesso di caratterizzare le regioni terminali del virus e di identificare requisiti essenziali per la loro funzionalità. Nel contesto intracellulare, esistono differenti livelli di restrizione in relazione alla capacità della cellula di supportare la replicazione virale, non ancora del tutto caratterizzati. Inoltre si sono accumulate evidenze circa la capacità del B19 di instaurare persistenza in numerosi tessuti. Non sono ancora note le caratteristiche funzionali del genoma virale in questo stato, è possibile che il virus persista in forma silente e meccanismi epigenetici possano regolare tale silenziamento. In questo studio è stato analizzato lo stato di metilazione del genoma di B19 e il suo possibile effetto sul ciclo replicativo virale ed è stata investigata la possibile associazione del DNA virale agli istoni cellulari nel corso di infezione in vitro. I risultati ottenuti confermano la presenza di questi meccanismi epigenetici, potendo ipotizzare che giochino un importante ruolo nella regolazione della funzionalità virale e nell’interazione B19-cellula e siano un elemento critico per l’adattamento del virus nell’ambiente in cui si trova. Inoltre l’ipotesi che anche i microRNA possano assumere un importante significato nell’interazione B19-cellula è stata proposta da diversi lavori e nel presente studio è stata valutata la produzione di queste piccole molecole durante l'infezione in vitro, ricercando microRNA (cellulari e/o virali) con omologia di sequenza per il genoma di B19 e quindi specifici per il virus.

Valutazione dell'efficacia dell'infusione intraepatica di cellule staminali (SC) autologhe CD133+ in pazienti affetti da cirrosi ed insufficienza epatica di grado avanzato

Numerose evidenze sperimentali hanno dimostrato il contributo delle cellule staminali (SC) di derivazione midollare nei processi di rigenerazione epatica dopo danno tissutale. E’ cresciuto pertanto l’interesse sul loro potenziale impiego in pazienti con cirrosi. Questo studio si proponeva di valutare la fattibilità e la sicurezza della reinfusione intraepatica di cellule staminali midollari autologhe CD133+ in 12 pazienti con insufficienza epatica terminale. Previa mobilizzazione nel sangue periferico mediante somministrazione di granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) alla dose di 7,5 mcg/Kg/b.i.d. e raccolta per leucoaferesi (solo se la concentrazione di CD133 + SC era > 8/μL), le cellule CD133+ altamente purificate sono state reinfuse in arteria epatica a partire da 5x104/Kg fino a 1x106/kg. Nei tre giorni successivi è stato somministrato G-CSF per favorire l’espansione e l’attecchimento delle cellule. Durante la fase della mobilizzazione e quella della reinfusione sono stati eseguiti saggi biologici quali: caratterizzazione fenotipica delle SC circolanti, saggi clonogenici, valutazione della concentrazione sierica del Hepatocyte Growth Factor (HGF), Stromal-Derived Factor-1 (SDF-1) ed il Vascular-Endotelial Growth Factor (VEGF) e caratterizzazione fenotipica delle CD133+SC purificate. Fino ad oggi sono stati reinfusi 12 pazienti. Questi dati preliminari suggeriscono che è possibile mobilizzare e reinfondere un numero considerevole di SC autologhe CD133+ altamente purificate in pazienti con ESLD . Gli studi biologici mostrano che: il numero di progenitori ematopoietici ed endoteliali circolanti è aumentato dopo il trattamento con G–CSF; le SCs CD133+ altamente purificato esprimono marcatori emopoietici ed endoteliali; la concentrazione sierica di HGF, SDF-1, VEGF e la capacità clonogenica di progenitori emopoietici sono aumentati durante la mobilitazione e nelle fasi di reinfusione; il potenziale clonogenico dei progenitori endoteliali mostra espressione variabile.

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.

Caratterizzazione e ruolo di PKCε e PKCδ in modelli di differenziamento megacariocitario normale e patologico

La PKCε e la PKCδ, chinasi ubiquitariamente distribuite e ad azione pleiotropica, sono implicate del differenziamento, sopravvivenza e proliferazione cellulare. Esse sono coinvolte nel processo differenziativo delle cellule staminali ematopoietiche e in fenomeni patologici associati al compartimento sanguigno. In questa tesi sono presentati i risultati riguardanti lo studio in vitro del ruolo di PKCε e PKCδ nel contesto del differenziamento megacariocitario, in particolare si caratterizza l’espressione e la funzione di queste chinasi nel modello umano e nel modello murino di Megacariocitopoiesi, normale e patologica. Confrontando le cinetiche dei due modelli presi in analisi nello studio è stato possibile osservare come in entrambi PKCε e PKCδ dimostrino avere una chiara e specifica modulazione nel progredire del processo differenziativo. Questi dati, se confrontati, permettono di affermare che PKCε e PKCδ presentano un pattern di espressione opposto e, nel modello umano rispetto a quello murino, reciproco: nell’uomo i livelli di PKCε devono essere down-modulati, mentre nel topo, al contrario, i livelli della chinasi risultano up-modulati durante lo stesso processo. Analogamente, le CD34+ in differenziazione presentano una costante e maggiore espressione di PKCδ durante la maturazione MK, mentre nel modello murino tale proteina risulta down-modulata nella fase più tardiva di formazione della piastrina. Le chinasi mostrano in oltre di agire, nei due modelli, attraverso pathways distinti e cioè RhoA nel topo e Bcl-xL nell’uomo. È stato inoltre verificato che l’aberrante differenziamento MK osservato nella mielofibrosi primaria (PMF), è associato a difetti di espressione di PKCε e di Bcl-xL e che una forzata down-modulazione di PKCε porta ad un ripristino di un normale livello di espressione di Bcl-xL così come della popolazione di megacariociti formanti propiastrine. I dati ottenuti indicano quindi che PKCε e PKCδ svolgono un ruolo importante nel corretto differenziamento MK e che PKCε potrebbe essere un potenziale nuovo target terapeutico nelle PMF.