Creatine deficiency syndomes : a new model of partial GAMT deficiency affecting brain cell development

Les syndromes de déficiences cérébrales en créatine (CCDS) sont dus à des mutations dans les gènes GATM et G AMT (codant pour les enzymes AGAT et G AMT de la voie de synthèse de créatine) ainsi que SLC6A8 (transporteur de créatine), et génèrent une absence ou une très forte baisse de créatine (Cr) dans le cerveau, mesurée par spectroscopic de résonance magnétique. Les patients CCDS développent des handicaps neurologiques sévères. Les patients AGAT et GAMT peuvent être traités avec des doses importantes de Cr, mais gardent dans la plupart des cas des séquelles neurologiques irréversibles. Aucun traitement efficace n'existe à ce jour pour la déficience en SLC6A8. Bien que de nombreux modèles aient été développés pour comprendre la Cr cérébrale en conditions physiologiques, les pathomécanismes des CCDS ne sont pas encore compris. Des souris transgéniques pour les gènes Gatm, Gamt et Slc6a8 ont été générées, mais elles ne miment que partiellement la pathologie humaine. Parmi les CCDS, la déficience en GAMT est la plus sévère, en raison de l'accumulation cérébrale de l'intermédiaire guanidinoacétate (GAA). Alors que la toxicité cérébrale du GAA a été étudiée par exposition directe au GAA d'animaux adultes sains, les mécanismes de la toxicité du GAA en condition de déficience en GAMT dans le cerveau en développement sont encore inconnus. Le but de ce projet était donc de développer un modèle de déficience en GAMT dans des cultures 3D primaires de cellules nerveuses de rat en agrégats par knock-down du gène GAMT, en utilisant un virus adéno-associé (AAV) induisant le mécanisme d'interférence à l'ARN (RNAi). Le virus scAAV2, à la multiplicité d'infection de 1000, s'est révélé le plus efficace pour transduire tous les types de cellules nerveuses des cultures (neurones, astrocytes, oligodendrocytes), et générer un knock-down maximal de la protéine GAMT de 85% (jour in vitro 18). Cette déficience partielle en GAMT s'est révélée insuffisante pour générer une déficience en Cr, mais a causé l'accumulation attendue de GAA, à des doses comparables aux niveaux observés dans le LCR des patients GAMT. Le GAA a induit une croissance axonale anarchique accompagnée d'une baisse de l'apoptose naturelle, suivis par une induction tardive de mort cellulaire non-apoptotique. Le co-traitement par la Cr a prévenu tous les effets toxiques du GAA. Ce travail montre que l'accumulation de GAA en absence de déficience en Cr est suffisante pour affecter le développement du tissu nerveux, et suggère que des formes de déficiences en GAMT supplémentaires, ne présentant pas de déficiences en Cr, pourraient être découvertes par mesure du GAA, en particulier à travers les programmes récemment proposés de dépistage néonatal de la déficience en GAMT. -- Cerebral creatine deficiency syndromes (CCDS) are caused by mutations in the genes GATM and GAMT (respectively coding for the two enzymes of the creatine synthetic pathway, AGAT and GAMT) as well as SLC6A8 (creatine transporter), and lead to the absence or very strong decrease of creatine (Cr) in the brain when measured by magnetic resonance spectroscopy. Affected patients show severe neurological impairments. While AGAT and GAMT deficient patients can be treated with high dosages of Cr, most remain with irreversible brain sequelae. No treatment has been successful so far for SLC6A8 deficiency. While many models have helped understanding the cerebral Cr pathways in physiological conditions, the pathomechanisms underlying CCDS are yet to be elucidated. Transgenic mice carrying mutations in the Gatm, Gamt and Slc6a8 genes have been developed, but only partially mimic the human pathology. Among CCDS, GAMT deficiency is the most severe, due to the CNS accumulation of the guanidinoacetate (GAA) intermediate. While brain toxicity of GAA has been explored through direct GAA exposure of adult healthy animals, the mechanisms underlying GAA toxicity in GAMT deficiency conditions on the developing CNS are yet unknown. The aim of this project was thus to develop and characterize a GAMT deficiency model in developing brain cells by gene knockdown, by adeno-associated virus (AAV)-driven RNA interference (RNAi) in rat 3D organotypic primary brain cell cultures in aggregates. scAAV2 with a multiplicity of infection of 1000 was shown as the most efficient serotype, was able to transduce all brain cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and to induce a maximal GAMT protein knockdown of 85% (day in vitro 18). Metabolite analysis showed that partial GAMT knockdown was insufficient to induce Cr deficiency but generated the awaited GAA accumulation at concentrations comparable to the levels observed in cerebrospinal fluid of GAMT-deficient patients. Accumulated GAA induced axonal hypersprouting paralleled with inhibition of natural apoptosis, followed by a later induction in non-apoptotic cell death. Cr supplementation led to the prevention of all GAA-induced toxic effects. This work shows that GAA accumulation without Cr deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggests that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain Cr deficiency, may be discovered through GAA measurement including by recently proposed neonatal screening programs for GAMT deficiency.

Spinal Cord T-Cell Infiltration in the Rat Spared Nerve Injury Model: A Time Course Study.

The immune system is involved in the development of neuropathic pain. In particular, the infiltration of T-lymphocytes into the spinal cord following peripheral nerve injury has been described as a contributor to sensory hypersensitivity. We used the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain in Sprague Dawley adult male rats to assess proliferation, and/or protein/gene expression levels for microglia (Iba1), T-lymphocytes (CD2) and cytotoxic T-lymphocytes (CD8). In the dorsal horn ipsilateral to SNI, Iba1 and BrdU stainings revealed microglial reactivity and proliferation, respectively, with different durations. Iba1 expression peaked at D4 and D7 at the mRNA and protein level, respectively, and was long-lasting. Proliferation occurred almost exclusively in Iba1 positive cells and peaked at D2. Gene expression observation by RT-qPCR array suggested that T-lymphocytes attracting chemokines were upregulated after SNI in rat spinal cord but only a few CD2/CD8 positive cells were found. A pronounced infiltration of CD2/CD8 positive T-cells was seen in the spinal cord injury (SCI) model used as a positive control for lymphocyte infiltration. Under these experimental conditions, we show early and long-lasting microglia reactivity in the spinal cord after SNI, but no lymphocyte infiltration was found.

Probing the (empirical) quantum structure embedded in the periodic table with an effective Bohr model

The atomic shell structure can be observed by inspecting the experimental periodic properties of the Periodic Table. The (quantum) shell structure emerges from these properties and in this way quantum mechanics can be explicitly shown considering the (semi-)quantitative periodic properties. These periodic properties can be obtained with a simple effective Bohr model. An effective Bohr model with an effective quantum defect (u) was considered as a probe in order to show the quantum structure embedded in the Periodic Table. u(Z) shows a quasi-smoothed dependence of Z, i.e., u(Z) ≈ Z2/5 - 1.

A Farewell to Flat Biology. Three-dimensional Cell Culture Models in Cancer Drug Target Identification and Validation

Cells of epithelial origin, e.g. from breast and prostate cancers, effectively differentiate into complex multicellular structures when cultured in three-dimensions (3D) instead of conventional two-dimensional (2D) adherent surfaces. The spectrum of different organotypic morphologies is highly dependent on the culture environment that can be either non-adherent or scaffold-based. When embedded in physiological extracellular matrices (ECMs), such as laminin-rich basement membrane extracts, normal epithelial cells differentiate into acinar spheroids reminiscent of glandular ductal structures. Transformed cancer cells, in contrast, typically fail to undergo acinar morphogenic patterns, forming poorly differentiated or invasive multicellular structures. The 3D cancer spheroids are widely accepted to better recapitulate various tumorigenic processes and drug responses. So far, however, 3D models have been employed predominantly in the Academia, whereas the pharmaceutical industry has yet to adopt a more widely and routine use. This is mainly due to poor characterisation of cell models, lack of standardised workflows and high throughput cell culture platforms, and the availability of proper readout and quantification tools. In this thesis, a complete workflow has been established entailing well-characterised 3D cell culture models for prostate cancer, a standardised 3D cell culture routine based on high-throughput-ready platform, automated image acquisition with concomitant morphometric image analysis, and data visualisation, in order to enable large-scale high-content screens. Our integrated suite of software and statistical analysis tools were optimised and validated using a comprehensive panel of prostate cancer cell lines and 3D models. The tools quantify multiple key cancer-relevant morphological features, ranging from cancer cell invasion through multicellular differentiation to growth, and detect dynamic changes both in morphology and function, such as cell death and apoptosis, in response to experimental perturbations including RNA interference and small molecule inhibitors. Our panel of cell lines included many non-transformed and most currently available classic prostate cancer cell lines, which were characterised for their morphogenetic properties in 3D laminin-rich ECM. The phenotypes and gene expression profiles were evaluated concerning their relevance for pre-clinical drug discovery, disease modelling and basic research. In addition, a spontaneous model for invasive transformation was discovered, displaying a highdegree of epithelial plasticity. This plasticity is mediated by an abundant bioactive serum lipid, lysophosphatidic acid (LPA), and its receptor LPAR1. The invasive transformation was caused by abrupt cytoskeletal rearrangement through impaired G protein alpha 12/13 and RhoA/ROCK, and mediated by upregulated adenylyl cyclase/cyclic AMP (cAMP)/protein kinase A, and Rac/ PAK pathways. The spontaneous invasion model tangibly exemplifies the biological relevance of organotypic cell culture models. Overall, this thesis work underlines the power of novel morphometric screening tools in drug discovery.

Assessment of the progressive nature of cell damage in the pilocarpine model of epilepsy

Pilocarpine-induced (320 mg/kg, ip) status epilepticus (SE) in adult (2-3 months) male Wistar rats results in extensive neuronal damage in limbic structures. Here we investigated whether the induction of a second SE (N = 6) would generate damage and cell loss similar to that seen after a first SE (N = 9). Counts of silver-stained (indicative of cell damage) cells, using the Gallyas argyrophil III method, revealed a markedly lower neuronal injury in animals submitted to re-induction of SE compared to rats exposed to a single episode of pilocarpine-induced SE. This effect could be explained as follows: 1) the first SE removes the vulnerable cells, leaving behind resistant cells that are not affected by the second SE; 2) the first SE confers increased resistance to the remaining cells, analogous to the process of ischemic tolerance. Counting of Nissl-stained cells was performed to differentiate between these alternative mechanisms. Our data indicate that different neuronal populations react differently to SE induction. For some brain areas most, if not all, of the vulnerable cells are lost after an initial insult leaving only relatively resistant cells and little space for further damage or cell loss. For some other brain areas, in contrast, our data support the hypothesis that surviving cells might be modified by the initial insult which would confer a sort of excitotoxic tolerance. As a consequence of both mechanisms, subsequent insults after an initial insult result in very little damage regardless of their intensity.

Anti-VEGFA therapy reduces tumor growth and extends survival in a murine model of ovarian granulosa cell tumor

Les tumeurs des cellules de la granulosa (GCTs) sont des tumeurs avec un potentiel malin ayant tendance à récidiver, provoquant ainsi la mort dans 80% des cas de stade avancé consécutif à une rechute. Bien que les GCTs représentent 5% des tumeurs ovariennes, peu d’études ont évalué les protocoles de traitement adjuvant pour la maladie avancée ou récurrente. Notre but était d’évaluer l’efficacité de la voie de signalisation du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire A (VEGFA) comme cible pour le traitement de la GCT utilisant le modèle murin transgénique Ptentm1Hwu/tm1Hwu; Ctnnb1tm1Mmt/+; Amhr2tm3(cre)Bhr/+ (PCA) qui reproduit le stade avancé de la maladie humaine. Un anticorps anti-VEGFA a été administré une fois par semaine par voie intrapéritonéale (IP) à partir de 3 semaines d’âge. La thérapie anti-VEGFA a permis une réduction de la taille des tumeurs à 6 semaines d’âge (p<0.05) et une prolongation de la survie des animaux traités, lorsque comparé aux animaux contrôles. L’analyse des GCTs a montré une réduction significative de la prolifération cellulaire (p<0.05) et de la densité microvasculaire (p<0.01) mais aucune différence significative n’a été détectée dans l’apoptose cellulaire. p44/p42 MAPK, un effecteur de la signalisation pour le récepteur 2 de VEGFA (VEGFR2) associé à la prolifération cellulaire, était moins activé dans les tumeurs traitées (p<0.05). Par contre, l’activation d’AKT, un effecteur impliqué dans la survie cellulaire, était similaire d’un groupe à l’autre. Ces résultats suggèrent que l’anticorps anti-VEGFA réduit la prolifération cellulaire et la densité microvasculaire chez les souris PCA par inhibition de la voie de signalisation VEGFR2-MAPK, inhibant ainsi la croissance tumorale. En conclusion, l’efficacité de la thérapie anti- VEGFA mérite d’être évaluée en essais contrôlés randomisés pour le traitement des GCTs chez l’homme.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Cell lines and animal model in the analysis of pharmacogenomics markers in childhood acute lymphoblastic leukemia

La leucémie aiguë lymphoblastique (LAL) est le cancer pédiatrique le plus fréquent. Elle est la cause principale de mortalité liée au cancer chez les enfants due à un groupe de patient ne répondant pas au traitement. Les patients peuvent aussi souffrir de plusieurs toxicités associées à un traitement intensif de chimiothérapie. Les études en pharmacogénétique de notre groupe ont montré une corrélation tant individuelle que combinée entre les variants génétiques particuliers d’enzymes dépendantes du folate, particulièrement la dihydrofolate réductase (DHFR) ainsi que la thymidylate synthase (TS), principales cibles du méthotrexate (MTX) et le risque élevé de rechute chez les patients atteints de la LAL. En outre, des variations dans le gène ATF5 impliqué dans la régulation de l’asparagine synthetase (ASNS) sont associées à un risque plus élevé de rechute ou à une toxicité ASNase dépendante chez les patients ayant reçu de l’asparaginase d’E.coli (ASNase). Le but principal de mon projet de thèse est de comprendre davantage d’un point de vue fonctionnel, le rôle de variations génétiques dans la réponse thérapeutique chez les patients atteints de la LAL, en se concentrant sur deux composants majeurs du traitement de la LAL soit le MTX ainsi que l’ASNase. Mon objectif spécifique était d’analyser une association trouvée dans des paramètres cliniques par le biais d’essais de prolifération cellulaire de lignées cellulaires lymphoblastoïdes (LCLs, n=93) et d’un modèle murin de xénogreffe de la LAL. Une variation génétique dans le polymorphisme TS (homozygosité de l’allèle de la répétition triple 3R) ainsi que l’haplotype *1b de DHFR (défini par une combinaison particulière d’allèle dérivé de six sites polymorphiques dans le promoteur majeur et mineur de DHFR) et de leurs effets sur la sensibilité au MTX ont été évalués par le biais d’essais de prolifération cellulaire. Des essais in vitro similaires sur la réponse à l’ASNase de E. Coli ont permis d’évaluer l’effet de la variation T1562C de la région 5’UTR de ATF5 ainsi que des haplotypes particuliers du gène ASNS (définis par deux variations génétiques et arbitrairement appelés haplotype *1). Le modèle murin de xénogreffe ont été utilisé pour évaluer l’effet du génotype 3R3R du gène TS. L’analyse de polymorphismes additionnels dans le gène ASNS a révélé une diversification de l’haplotype *1 en 5 sous-types définis par deux polymorphismes (rs10486009 et rs6971012,) et corrélé avec la sensibilité in vitro à l’ASNase et l’un d’eux (rs10486009) semble particulièrement important dans la réduction de la sensibilité in vitro à l’ASNase, pouvant expliquer une sensibilité réduite de l’haplotype *1 dans des paramètres cliniques. Aucune association entre ATF5 T1562C et des essais de prolifération cellulaire en réponse à ASNase de E.Coli n’a été détectée. Nous n’avons pas détecté une association liée au génotype lors d’analyse in vitro de sensibilité au MTX. Par contre, des résultats in vivo issus de modèle murin de xénogreffe ont montré une relation entre le génotype TS 3R/3R et la résistance de manière dose-dépendante au traitement par MTX. Les résultats obtenus ont permis de fournir une explication concernant un haut risque significatif de rechute rencontré chez les patients au génotype TS 3R/3R et suggèrent que ces patients pourraient recevoir une augmentation de leur dose de MTX. À travers ces expériences, nous avons aussi démontré que les modèles murins de xénogreffe peuvent servir comme outil préclinique afin d’explorer l’option d’un traitement individualisé. En conclusion, la connaissance acquise à travers mon projet de thèse a permis de confirmer et/ou d’identifier quelques variants dans la voix d’action du MTX et de l’ASNase qui pourraient faciliter la mise en place de stratégies d’individualisation de la dose, permettant la sélection d’un traitement optimum ou moduler la thérapie basé sur la génétique individuelle.

From a discrete to a continuum model of cell dynamics in one dimension

Multiscale modeling is emerging as one of the key challenges in mathematical biology. However, the recent rapid increase in the number of modeling methodologies being used to describe cell populations has raised a number of interesting questions. For example, at the cellular scale, how can the appropriate discrete cell-level model be identified in a given context? Additionally, how can the many phenomenological assumptions used in the derivation of models at the continuum scale be related to individual cell behavior? In order to begin to address such questions, we consider a discrete one-dimensional cell-based model in which cells are assumed to interact via linear springs. From the discrete equations of motion, the continuous Rouse [P. E. Rouse, J. Chem. Phys. 21, 1272 (1953)] model is obtained. This formalism readily allows the definition of a cell number density for which a nonlinear "fast" diffusion equation is derived. Excellent agreement is demonstrated between the continuum and discrete models. Subsequently, via the incorporation of cell division, we demonstrate that the derived nonlinear diffusion model is robust to the inclusion of more realistic biological detail. In the limit of stiff springs, where cells can be considered to be incompressible, we show that cell velocity can be directly related to cell production. This assumption is frequently made in the literature but our derivation places limits on its validity. Finally, the model is compared with a model of a similar form recently derived for a different discrete cell-based model and it is shown how the different diffusion coefficients can be understood in terms of the underlying assumptions about cell behavior in the respective discrete models.

Overview of mathematical approaches used to model bacterial chemotaxis I: the single cell

Mathematical modeling of bacterial chemotaxis systems has been influential and insightful in helping to understand experimental observations. We provide here a comprehensive overview of the range of mathematical approaches used for modeling, within a single bacterium, chemotactic processes caused by changes to external gradients in its environment. Specific areas of the bacterial system which have been studied and modeled are discussed in detail, including the modeling of adaptation in response to attractant gradients, the intracellular phosphorylation cascade, membrane receptor clustering, and spatial modeling of intracellular protein signal transduction. The importance of producing robust models that address adaptation, gain, and sensitivity are also discussed. This review highlights that while mathematical modeling has aided in understanding bacterial chemotaxis on the individual cell scale and guiding experimental design, no single model succeeds in robustly describing all of the basic elements of the cell. We conclude by discussing the importance of this and the future of modeling in this area.

A hypoplastic model of skeletal muscle development displaying reduced foetal myoblast cell numbers, increased oxidative myofibres and improved specific tension capacity

The major component of skeletal muscle is the myofibre. Genetic intervention inducing over-enlargement of myofibres beyond a certain threshold through acellular growth causes a reduction in the specific tension generating capacity of the muscle. However the physiological parameters of a genetic model that harbours reduced skeletal muscle mass have yet to be analysed. Genetic deletion of Meox2 in mice leads to reduced limb muscle size and causes some patterning defects. The loss of Meox2 is not embryonically lethal and a small percentage of animals survive to adulthood making it an excellent model with which to investigate how skeletal muscle responds to reductions in mass. In this study we have performed a detailed analysis of both late foetal and adult muscle development in the absence of Meox2. In the adult, we show that the loss of Meox2 results in smaller limb muscles that harbour reduced numbers of myofibres. However, these fibres are enlarged. These myofibres display a molecular and metabolic fibre type switch towards a more oxidative phenotype that is induced through abnormalities in foetal fibre formation. In spite of these changes, the muscle from Meox2 mutant mice is able to generate increased levels of specific tension compared to that of the wild type.

Observations of ice multiplication in a weakly convective cell embedded in supercooled mid-level stratus

Simultaneous observations of cloud microphysical properties were obtained by in-situ aircraft measurements and ground based Radar/Lidar. Widespread mid-level stratus cloud was present below a temperature inversion (~5 °C magnitude) at 3.6 km altitude. Localised convection (peak updraft 1.5 m s−1) was observed 20 km west of the Radar station. This was associated with convergence at 2.5 km altitude. The convection was unable to penetrate the inversion capping the mid-level stratus. The mid-level stratus cloud was vertically thin (~400 m), horizontally extensive (covering 100 s of km) and persisted for more than 24 h. The cloud consisted of supercooled water droplets and small concentrations of large (~1 mm) stellar/plate like ice which slowly precipitated out. This ice was nucleated at temperatures greater than −12.2 °C and less than −10.0 °C, (cloud top and cloud base temperatures, respectively). No ice seeding from above the cloud layer was observed. This ice was formed by primary nucleation, either through the entrainment of efficient ice nuclei from above/below cloud, or by the slow stochastic activation of immersion freezing ice nuclei contained within the supercooled drops. Above cloud top significant concentrations of sub-micron aerosol were observed and consisted of a mixture of sulphate and carbonaceous material, a potential source of ice nuclei. Particle number concentrations (in the size range 0.1

Development of an ex vivo human skin model for intradermal vaccination : tissue viability and Langerhans cell behaviour

The presence of resident Langerhans cells (LCs) in the epidermis makes the skin an attractive target for DNA vaccination. However, reliable animal models for cutaneous vaccination studies are limited. We demonstrate an ex vivo human skin model for cutaneous DNA vaccination which can potentially bridge the gap between pre-clinical in vivo animal models and clinical studies. Cutaneous transgene expression was utilised to demonstrate epidermal tissue viability in culture. LC response to the culture environment was monitored by immunohistochemistry. Full-thickness and split-thickness skin remained genetically viable in culture for at least 72 h in both phosphate-buffered saline (PBS) and full organ culture medium (OCM). The epidermis of explants cultured in OCM remained morphologically intact throughout the culture duration. LCs in full-thickness skin exhibited a delayed response (reduction in cell number and increase in cell size) to the culture conditions compared with split-thickness skin, whose response was immediate. In conclusion, excised human skin can be cultured for a minimum of 72 h for analysis of gene expression and immune cell activation. However, the use of split-thickness skin for vaccine formulation studies may not be appropriate because of the nature of the activation. Full-thickness skin explants are a more suitable model to assess cutaneous vaccination ex vivo.