Impact clinique et économique de la transplantation cornéenne lamellaire postérieure

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Regenerative potential of corneal endothelium from patients with fuchs endothelial corneal dystrophy

La dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD, pour l’abréviation du terme anglais « Fuchs endothelial corneal dystrophy ») est une maladie de l'endothélium cornéen. Sa pathogenèse est mal connue. Aucun traitement médical n’est efficace. Le seul traitement existant est chirurgical et consiste dans le remplacement de l’endothélium pathologique par un endothélium sain provenant de cornées de la Banque des yeux. Le traitement chirurgical, en revanche, comporte 10% de rejet immunologique. Des modèles expérimentaux sont donc nécessaires afin de mieux comprendre cette maladie ainsi que pour le développement de traitements alternatifs. Le but général de cette thèse est de développer un modèle expérimental de la FECD en utilisant le génie tissulaire. Ceci a été réalisé en trois étapes. 1) Tout d'abord, l'endothélium cornéen a été reconstruit par génie tissulaire en utilisant des cellules endothéliales en culture, provenant de patients atteints de FECD. Ce modèle a ensuite été caractérisé in vitro. Brièvement, les cellules endothéliales cornéennes FECD ont été isolées à partir de membranes de Descemet prélevées lors de greffes de cornée. Les cellules au deuxième ou troisième passages ont ensuite été ensemencées sur une cornée humaine préalablement décellularisée. Suivant 2 semaines de culture, les endothélia cornéens reconstruits FECD (n = 6) ont été évalués à l'aide d'histologie, de microscopie électronique à transmission et d’immunomarquages de différentes protéines. Les endothélia cornéens reconstruits FECD ont formé une monocouche de cellules polygonales bien adhérées à la membrane de Descemet. Les immunomarquages ont démontré la présence des protéines importantes pour la fonctionnalité de l’endothélium cornéen telles que Na+-K+/ATPase α1 et Na+/HCO3-, ainsi qu’une expression faible et uniforme de la protéine clusterine. 2) Deux techniques chirurgicales (DSAEK ; pour « Descemet stripping automated endothelial keratoplasty » et la kératoplastie pénétrante) ont été comparées pour la transplantation cornéenne dans le modèle animal félin. Les paramètres comparés incluaient les défis chirurgicaux et les résultats cliniques. La technique « DSAEK » a été difficile à effectuer dans le modèle félin. Une formation rapide de fibrine a été observée dans tous les cas DSAEK (n = 5). 3) Finalement, la fonctionnalité in vivo des endothélia cornéens reconstruits FECD a été évaluée (n = 7). Les évaluations in vivo comprenaient la transparence, la pachymétrie et la tomographie par cohérence optique. Les évaluations post-mortem incluaient la morphométrie des cellules endothéliales, la microscopie électronique à transmission et des immunomarquage de protéines liées à la fonctionnalité. Après la transplantation, la pachymétrie a progressivement diminué et la transparence a progressivement augmenté. Sept jours après la transplantation, 6 des 7 greffes étaient claires. La microscopie électronique à transmission a montré la présence de matériel fibrillaire sous-endothélial dans toutes les greffes d’endothelia reconstruits FECD. Les endothélia reconstruits exprimaient aussi des protéines Na+-K+/ATPase et Na+/HCO3-. En résumé, cette thèse démontre que les cellules endothéliales de la cornée à un stade avancé FECD peuvent être utilisées pour reconstruire un endothélium cornéen par génie tissulaire. La kératoplastie pénétrante a été démontrée comme étant la procédure la plus appropriée pour transplanter ces tissus reconstruits dans l’œil du modèle animal félin. La restauration de l'épaisseur cornéenne et de la transparence démontrent que les greffons reconstruits FECD sont fonctionnels in vivo. Ces nouveaux modèles FECD démontrent une réhabilitation des cellules FECD, permettant d’utiliser le génie tissulaire pour reconstruire des endothelia fonctionnels à partir de cellules dystrophiques. Les applications potentielles sont nombreuses, y compris des études physiopathologiques et pharmacologiques.

Fonctionnalité in vivo d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de cellules endothéliales cornéennes dans la chambre antérieure d’un modèle félin

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées.

Fonctionnalité in vivo d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de cellules endothéliales cornéennes dans la chambre antérieure d’un modèle félin

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées.

Effets du stress oxydatif induit par les rayons UVA et endogène sur la cornée humaine : étude des délétions de l’ADN mitochondrial, des modifications dans la matrice extracellulaire cornéenne et de la dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs

Le stress oxydatif peut provenir de sources exogènes comme les UVA ou de sources endogènes comme la chaîne respiratoire (OXPHOS). L’oxydation des composants cellulaires a été associée avec la dégénération, des phénotypes de vieillissement et des pertes de fonctionnalités des tissus. Les UVA sont les plus efficaces des rayons UV à induire de l’oxydation, tel que démontré par la formation de dommages oxydatifs à l’ADN et par l’apparition de délétions mitochondriales qui en résultent. La délétion mitochondriale de 4977 pb (ADNmtCD4977), la plus commune, et celle de 3895 pb (ADNmt3895) sont deux délétions reliées au photovieillissement cutané et à l’exposition au stress oxydant. Le phénomène de vieillissement dans la peau est bien documenté et se traduit par une dégradation de la matrice extracellulaire, une perte d’élasticité et la formation de rides. Toutefois, peu d’études portent sur la cornée humaine alors qu’elle est un tissu exposé directement aux rayonnements UV au même titre que la peau. Nous avons donc tenté mieux comprendre l’effet de l’oxydation exogène et endogène sur cette structure. L’analyse de la localisation des délétions ADNmtCD4977 et ADNmtCD4977 dans l’oeil humain a permis de révéler qu’elles se concentrent principalement dans le stroma cornéen et s’accumule avec l’âge. Le stroma cornéen est la couche cellulaire qui confère la transparence et la rigidité à la cornée humaine. Ces résultats nous ont suggéré une implication des UVA dans le photovieillissement de la cornée. Nous avons donc entrepris de vérifier les changements liés à l’exposition aux UVA dans le stroma cornéen puisque les UVA sont connus pour causer des altérations à la matrice extracellulaire (ECM) au niveau cutané. Nous avons donc créé un modèle de photovieillisement par une exposition chronique aux UVA sur des kératocytes avec lesquels nous avons fait sécréter une ECM. Nos résultats nous ont démontré qu’une exposition chronique aux UVA cause des altérations à l’ECM cornéen semblable à des phénotypes de photvieillissement. En effet, nous avons dénoté des changements transcriptomiques et protéomiques pour certains collagènes et protéoglycans. Une atteinte aux collagènes par le vieillissement cornéen se traduit entre autres par une rigidification, une opacification et un changement dans son pouvoir réfractif qui mène à une perte de la vision. Par ailleurs, notre avons également investigué l’implication du stress oxydatif dans la dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD), une maladie dégénérative de l’endothélium cornéen, qui mène à une perte de vision et est une cause principale de greffe cornéenne. L’étiologie de la maladie est encore inconnue, mais le stress oxydatif est soupçonné de jouer un rôle important dans la pathogenèse. Nos résultats ont amené de nouvelles évidences de l’implication de l’oxydation dans la maladie par l’augmentation de la quantité d’ADN mitochondrial et un raccourcissement des télomères dans des explants de cornées pathologiques. Nos résultats nous ont également démontré que la mise en culture de cellules FECD permettait la sélection de cellules fonctionnelles et comparables à des cellules saines en termes de quantité d’ADN mitochondrial et de son intégrité, de sensibilité à l’oxydation et de longueur télomérique. Les résultats obtenus soutiennent ainsi la possibilité d’employer les cellules FECD fonctionnelles sélectionnées pour utilisation en génie tissulaire afin de créer des cornées autologues pour pallier aux manques de greffes cornéennes. Enfin, nos résultats apportent de nouvelles évidences quant à l’implication du stress oxydatif dans le photovieillissement cornéen et dans l’étiologie de la FECD.

Development of an ultra-thin fibroin membrane for RPE cell transplantation

Purpose: One of the challenges associated with cell-based therapies for repairing the retina is the development of suitable materials on which to grow and transplant retinal cells. Using the ARPE-19 cell line, we have previously demonstrated the feasibility of growing RPE-derived cells on membranes prepared from the silk protein fibroin. The present study was aimed at developing a porous, ultra-thin fibroin membrane that might better support development of apical-basal polarity in culture, and to extend this work to primary cultures of human RPE cells. Methods: Ultra-thin fibroin membranes were prepared using a highly polished casting table coated with Topas® (a cyclic olefin copolymer) and a 1:0.03 aqueous solution of fibroin and PEO (Mv 900 000 g/mol). Following drying, the membranes were water annealed to make them water-stable, washed in water to remove PEO, sterilised by treatment with 95% ethanol, and washed extensively in saline. Primary cultures containing human RPE cells were established from donor posterior eye cups and maintained in DMEM/F12 medium supplemented with 10% fetal bovine serum and antibiotics. First passage cultures were seeded onto fibroin membranes pre-coated with vitronectin and grown for 6 weeks in medium supplemented with 1% serum. Comparative cultures were established on porous 1.0 µm pore PET membrane (Millipore) and using ARPE-19 cells. Results: The fibroin membranes displayed an average thickness of 3 µm and contained numerous dimples/pore-like structures of up to 3-5 µm in diameter. The primary cultures predominantly contained pigmented epithelial cells, but mesenchymal cells (presumed fibroblasts) were also often present. Passaged cultures appeared to attach equally well to either fibroin or PET membranes. Over time cells on either material adopted a more cobblestoned morphology. Conclusions: Progress has been made towards developing a porous ultra-thin fibroin membrane that supports cultivation of RPE cells. Further studies are required to determine the degree of membrane permeability and RPE polarity.

Assessment of freestanding membranes prepared from Antheraea pernyi silk fibroin as a potential vehicle for corneal epithelial cell transplantation

Freestanding membranes created from Bombyx mori silk fibroin (BMSF) offer a potential vehicle for corneal cell transplantation since they are transparent and support the growth of human corneal epithelial cells (HCE). Fibroin derived from the wild silkworm Antheraea pernyi (APSF) might provide a superior material by virtue of containing putative cell- attachment sites that are absent from BMSF. Thus we have investigated the feasibility of producing transparent, freestanding membranes from APSF and have analysed the behaviour of HCE cells on this material. No significant differences in cell numbers or phenotype were observed in short term HCE cell cultures established on either fibroin. Production of transparent freestanding APSF membranes, however, proved to be problematic as cast solutions of APSF were more prone to becoming opaque, displayed significantly lower permeability and were more brittle than BMSF-membranes. Cultures of HCE cells established on either membrane developed a normal stratified morphology with cytokeratin pair 3/12 being immuno-localized to the superficial layers. We conclude that while it is feasible to produce transparent freestanding membranes from APSF, the technical difficulties associated with this biomaterial, along with an absence of enhanced cell growth, currently favours the continued development of BMSF as a preferred vehicle for corneal cell transplantation. Nevertheless, it remains possible that refinement of techniques for processing APSF might yet lead to improvements in the handling properties and performance of this material.

Corneal confocal microscopy detects early nerve regeneration in diabetic neuropathy after simultaneous pancreas and kidney transplantation

Diabetic neuropathy is associated with increased morbidity and mortality. To date, limited data in subjects with impaired glucose tolerance and diabetes demonstrate nerve fiber repair after intervention. This may reflect a lack of efficacy of the interventions but may also reflect difficulty of the tests currently deployed to adequately assess nerve fiber repair, particularly in short-term studies. Corneal confocal microscopy (CCM) represents a novel noninvasive means to quantify nerve fiber damage and repair. Fifteen type 1 diabetic patients undergoing simultaneous pancreas-kidney transplantation (SPK) underwent detailed assessment of neurologic deficits, quantitative sensory testing (QST), electrophysiology, skin biopsy, corneal sensitivity, and CCM at baseline and at 6 and 12 months after successful SPK. At baseline, diabetic patients had a significant neuropathy compared with control subjects. After successful SPK there was no significant change in neurologic impairment, neurophysiology, QST, corneal sensitivity, and intraepidermal nerve fiber density (IENFD). However, CCM demonstrated significant improvements in corneal nerve fiber density, branch density, and length at 12 months. Normalization of glycemia after SPK shows no significant improvement in neuropathy assessed by the neurologic deficits, QST, electrophysiology, and IENFD. However, CCM shows a significant improvement in nerve morphology, providing a novel noninvasive means to establish early nerve repair that is missed by currently advocated assessment techniques.

Determination of urinary thymidine glycol using affinity chromatography, HPLC and post-column reaction detection : a biomarker of oxidative DNA damage upon kidney transplantation

Reactive oxygen species are generated during ischaemia-reperfusion of tissue. Oxidation of thymidine by hydroxyl radicals (HO) leads to the formation of 5,6-dihydroxy-5,6-dihydrothymidine (thymidine glycol). Thymidine glycol is excreted in urine and can be used as biomarker of oxidative DNA damage. Time dependent changes in urinary excretion rates of thymidine glycol were determined in six patients after kidney transplantation and in six healthy controls. A new analytical method was developed involving affinity chromatography and subsequent reverse-phase high-performance liquid chromatography (RP-HPLC) with a post-column chemical reaction detector and endpoint fluorescence detection. The detection limit of this fluorimetric assay was 1.6 ng thymidine glycol per ml urine, which corresponds to about half of the physiological excretion level in healthy control persons. After kidney transplantation the urinary excretion rate of thymidine glycol increased gradually reaching a maximum around 48 h. The excretion rate remained elevated until the end of the observation period of 10 days. Severe proteinuria with an excretion rate of up to 7.2 g of total protein per mmol creatinine was also observed immediately after transplantation and declined within the first 24 h of allograft function (0.35 + 0.26 g/mmol creatinine). The protein excretion pattern, based on separation of urinary proteins on sodium dodecyl sulphate-polyacrylamide gel electrophorosis (SDS-PAGE), as well as excretion of individual biomarker proteins, indicated nonselective glomerular and tubular damage. The increased excretion of thymidine glycol after kidney transplantation may be explained by ischaemia-reperfusion induced oxidative DNA damage of the transplanted kidney.

Human amnion epithelial cell transplantation abrogates lung fibrosis and augments repair

Rationale: Chronic lung disease characterized by loss of lung tissue,inflammation, and fibrosis represents a major global health burden. Cellular therapies that could restore pneumocytes and reduce inflammation and fibrosis would be a major advance in management. Objectives: To determine whether human amnion epithelial cells (hAECs), isolated from term placenta and having stem cell–like and antiinflammatory properties, could adopt an alveolar epithelial phenotype and repair a murine model of bleomycin-induced lung injury. Methods: Primary hAECs were cultured in small airway growth medium to determine whether the cells could adopt an alveolar epithelial phenotype. Undifferentiated primary hAECs were also injected parenterally into SCID mice after bleomycin-induced lung injury and analyzed for production of surfactant protein (SP)-A, SP-B, SP-C, and SP-D. Mouse lungs were also analyzed for inflammation and collagen deposition. Measurements and Main Results: hAECs grown in small airway growth medium developed an alveolar epithelial phenotype with lamellar body formation, production of SPs A–D, and SP-D secretion. Although hAECs injected into mice lacked SPs, hAECs recovered from mouse lungs 2 weeks posttransplantation produced SPs. hAECs remained engrafted over the 4-week test period. hAEC administration reduced inflammation in association with decreased monocyte chemoattractant protein-1, tumor necrosis factor-a, IL-1 and -6, and profibrotic transforming growth factor-b in mouse lungs. In addition,lung collagen content was significantly reduced by hAEC treatment as a possible consequence of increased degradation by matrix metalloproteinase-2 and down-regulation of the tissue inhibitors f matrix metalloproteinase-1 and 2. Conclusions: hAECs offer promise as a cellular therapy for alveolar restitution and to reduce lung inflammation and fibrosis.