Transplantation tolerance: Clinical potential of regulatory T cells.

The major challenge in transplantation medicine remains long-term allograft acceptance, with preserved allograft function under minimal chronic immunosuppression. To safely achieve the goal of sustained donor-specific T and B cell non-responsiveness, research efforts are now focusing on therapies based on cell subsets with regulatory properties. In particular the transfusion of human regulatory T cells (Treg) is currently being evaluated in phase I/II clinical trials for the treatment of graft versus host disease following hematopoietic stem cell transplantation, and is also under consideration for solid organ transplantation. The purpose of this review is to recapitulate current knowledge on naturally occurring as well as induced human Treg, with emphasis on their specific phenotype, suppressive function and how these cells can be manipulated in vitro and/or in vivo for therapeutic purposes in transplantation medicine. We highlight the potential but also possible limitations of Treg-based strategies to promote long-term allograft survival. It is evident that the bench-to-beside translation of these protocols still requires further understanding of Treg biology. Nevertheless, current data already suggest that Treg therapy alone will not be sufficient and needs to be combined with other immunomodulatory approaches in order to induce allograft tolerance.

Secondary prevention of type 1 diabetes mellitus: stopping immune destruction and promoting ß-cell regeneration

Type 1 diabetes mellitus results from a cell-mediated autoimmune attack against pancreatic ß-cells. Traditional treatments involve numerous daily insulin dosages/injections and rigorous glucose control. Many efforts toward the identification of ß-cell precursors have been made not only with the aim of understanding the physiology of islet regeneration, but also as an alternative way to produce ß-cells to be used in protocols of islet transplantation. In this review, we summarize the most recent studies related to precursor cells implicated in the regeneration process. These include embryonic stem cells, pancreas-derived multipotent precursors, pancreatic ductal cells, hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, hepatic oval cells, and mature ß-cells. There is controversial evidence of the potential of these cell sources to regenerate ß-cell mass in diabetic patients. However, clinical trials using embryonic stem cells, umbilical cord blood or adult bone marrow stem cells are under way. The results of various immunosuppressive regimens aiming at blocking autoimmunity against pancreatic ß-cells and promoting ß-cell preservation are also analyzed. Most of these regimens provide transient and partial effect on insulin requirements, but new regimens are beginning to be tested. Our own clinical trial combines a high dose immunosuppression with mobilized peripheral blood hematopoietic stem cell transplantation in early-onset type 1 diabetes mellitus.

A safety and feasibility study of cell therapy in dilated cardiomyopathy

The aim of this study was to determine if bone marrow mononuclear cell (BMMC) transplantation is safe for moderate to severe idiopathic dilated cardiomyopathy (IDC). Clinical trials have shown that this procedure is safe and effective for ischemic patients, but little information is available regarding non-ischemic patients. Twenty-four patients with IDC, optimized therapy, age 46 ± 11.6 years, 17 males, NYHA classes II-IV, and left ventricular ejection fraction <35% were enrolled in the study. Clinical evaluation at baseline and 6 months after stem cell therapy to assess heart function included echocardiogram, magnetic resonance imaging, cardiopulmonary test, Minnesota Quality of Life Questionnaire, and NYHA classification. After cell transplantation 1 patient showed a transient increase in enzyme levels and 2 patients presented arrhythmias that were reversed within 72 h. Four patients died during follow-up, between 6 and 12 weeks after therapy. Clinical evaluation showed improvement in most patients as reflected by statistically significant decreases in Minnesota Quality of Life Questionnaire (63 ± 17.9 baseline vs 28.8 ± 16.75 at 6 months) and in class III-IV NYHA patients (18/24 baseline vs 2/20 at 6 months). Cardiopulmonary exercise tests demonstrated increased peak oxygen consumption (12.2 ± 2.4 at baseline vs 15.8 ± 7.1 mL·kg-1·min-1 at 6 months) and walked distance (377.2 ± 85.4 vs 444.1 ± 77.9 m at 6 months) in the 6-min walk test, which was not accompanied by increased left ventricular ejection fraction. Our findings indicate that BMMC therapy in IDC patients with severe ventricular dysfunction is feasible and that larger, randomized and placebo-controlled trials are warranted.

Transplantation of mononuclear cells from human umbilical cord blood promotes functional recovery after traumatic spinal cord injury in Wistar rats

Cell transplantation is a promising experimental treatment for spinal cord injury. The aim of the present study was to evaluate the efficacy of mononuclear cells from human umbilical cord blood in promoting functional recovery when transplanted after a contusion spinal cord injury. Female Wistar rats (12 weeks old) were submitted to spinal injury with a MASCIS impactor and divided into 4 groups: control, surgical control, spinal cord injury, and one cell-treated lesion group. Mononuclear cells from umbilical cord blood of human male neonates were transplanted in two experiments: a) 1 h after surgery, into the injury site at a concentration of 5 x 10(6) cells diluted in 10 µL 0.9% NaCl (N = 8-10 per group); b) into the cisterna magna, 9 days after lesion at a concentration of 5 x 10(6) cells diluted in 150 µL 0.9% NaCl (N = 12-14 per group). The transplanted animals were immunosuppressed with cyclosporin-A (10 mg/kg per day). The BBB scale was used to evaluate motor behavior and the injury site was analyzed with immunofluorescent markers to label human transplanted cells, oligodendrocytes, neurons, and astrocytes. Spinal cord injury rats had 25% loss of cord tissue and cell treatment did not affect lesion extension. Transplanted cells survived in the injured area for 6 weeks after the procedure and both transplanted groups showed better motor recovery than the untreated ones (P < 0.05). The transplantation of mononuclear cells from human umbilical cord blood promoted functional recovery with no evidence of cell differentiation.

Intensive chemotherapy as salvage treatment for solid tumors: focus on germ cell cancer

Germ cell tumors present contrasting biological and molecular features compared to many solid tumors, which may partially explain their unusual sensitivity to chemotherapy. Reduced DNA repair capacity and enhanced induction of apoptosis appear to be key factors in the sensitivity of germ cell tumors to cisplatin. Despite substantial cure rates, some patients relapse and subsequently die of their disease. Intensive doses of chemotherapy are used to counter mechanisms of drug resistance. So far, high-dose chemotherapy with hematopoietic stem cell support for solid tumors is used only in the setting of testicular germ cell tumors. In that indication, high-dose chemotherapy is given as the first or late salvage treatment for patients with either relapsed or progressive tumors after initial conventional salvage chemotherapy. High-dose chemotherapy is usually given as two or three sequential cycles using carboplatin and etoposide with or without ifosfamide. The administration of intensive therapy carries significant side effects and can only be efficiently and safely conducted in specialized referral centers to assure optimum patient care outcomes. In breast and ovarian cancer, most studies have demonstrated improvement in progression-free survival (PFS), but overall survival remained unchanged. Therefore, most of these approaches have been dropped. In germ cell tumors, clinical trials are currently investigating novel therapeutic combinations and active treatments. In particular, the integration of targeted therapies constitutes an important area of research for patients with a poor prognosis.

Transplantation and survival of mouse inner ear progenitor/stem cells in the organ of Corti after cochleostomy of hearing-impaired guinea pigs: preliminary results

In mammals, damage to sensory receptor cells (hair cells) of the inner ear results in permanent sensorineural hearing loss. Here, we investigated whether postnatal mouse inner ear progenitor/stem cells (mIESCs) are viable after transplantation into the basal turns of neomycin-injured guinea pig cochleas. We also examined the effects of mIESC transplantation on auditory functions. Eight adult female Cavia porcellus guinea pigs (250-350g) were deafened by intratympanic neomycin delivery. After 7 days, the animals were randomly divided in two groups. The study group (n=4) received transplantation of LacZ-positive mIESCs in culture medium into the scala tympani. The control group (n=4) received culture medium only. At 2 weeks after transplantation, functional analyses were performed by auditory brainstem response measurement, and the animals were sacrificed. The presence of mIESCs was evaluated by immunohistochemistry of sections of the cochlea from the study group. Non-parametric tests were used for statistical analysis of the data. Intratympanic neomycin delivery damaged hair cells and increased auditory thresholds prior to cell transplantation. There were no significant differences between auditory brainstem thresholds before and after transplantation in individual guinea pigs. Some mIESCs were observed in all scalae of the basal turns of the injured cochleas, and a proportion of these cells expressed the hair cell marker myosin VIIa. Some transplanted mIESCs engrafted in the cochlear basilar membrane. Our study demonstrates that transplanted cells survived and engrafted in the organ of Corti after cochleostomy.

Development of cellular and gene therapies for b[beta]-Thalassemia and sickle cell disease

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les Déterminants Génétiques de la Pharmacocinétique du Busulfan et les Résultats de la Transplantation

Le busulfan (Bu) est un composé clé de la phase de conditionnement chez les enfants subissant une transplantation des cellules souches hématopoïétiques (TCSH). Les différences inter-individuelles de la pharmacocinétique (PK) du Bu pourraient affecter son efficacité et sa toxicité. Le Bu est principalement métabolisé par la glutathion-S-transférase (GST). Nous avons étudié la relation des génotypes GSTA1, GSTM1 et GSTP1 avec la PK de la première dose de Bu et la relation avec les résultats de la TCSH chez 69 enfants recevant un régime de conditionnement myéloablatif. Le génotype GSTM1 nul a corrélé avec une exposition élevée du Bu et une faible clairance (CL) chez les patients âgés de 4 ans (p ≤ 0,04). Dans le respect du rôle fonctionnel suggéré d’haplotype GSTA1 *A2, il a été associé à des niveaux plus faibles de médicaments et des niveaux élevés de CL (p ≤ 0,03). L’effet Gène-dose a également été observé (p = ≤ 0,007). L’haplotype de GSTA1 était associé avec les résultats de la TCSH. Les porteurs de deux copies d’haplotype *A2 avaient une meilleure survie sans événement (p = 0,03). En revanche, les individus homozygotes pour haplotypes * B et *B1 ont un risque plus élevé d’atteindre la maladie veino-occlusive (MVO) (p = 0,009). Les individus porteurs de GSTM1 nul âgés de 4 ans possèdent un risque plus fréquent d’avoir la maladie du greffon contre l'hôte (GvHD) (p = 0,03). En conclusion, nous avons montré que les variantes génétiques de GST influencent la PK du BU et les résultats de la TCSH chez les enfants. Pour l'ajustement de la posologie, un modèle avec l'inclusion des facteurs génétiques et non génétiques devrait être évalué et validé dans une étude prospective.

Limited sampling strategies for estimation of cyclosporine exposure in pediatric hematopoietic stem cell transplant recipients : methodological improvement and introduction of sampling time deviation analysis.

Le suivi thérapeutique est recommandé pour l’ajustement de la dose des agents immunosuppresseurs. La pertinence de l’utilisation de la surface sous la courbe (SSC) comme biomarqueur dans l’exercice du suivi thérapeutique de la cyclosporine (CsA) dans la transplantation des cellules souches hématopoïétiques est soutenue par un nombre croissant d’études. Cependant, pour des raisons intrinsèques à la méthode de calcul de la SSC, son utilisation en milieu clinique n’est pas pratique. Les stratégies d’échantillonnage limitées, basées sur des approches de régression (R-LSS) ou des approches Bayésiennes (B-LSS), représentent des alternatives pratiques pour une estimation satisfaisante de la SSC. Cependant, pour une application efficace de ces méthodologies, leur conception doit accommoder la réalité clinique, notamment en requérant un nombre minimal de concentrations échelonnées sur une courte durée d’échantillonnage. De plus, une attention particulière devrait être accordée à assurer leur développement et validation adéquates. Il est aussi important de mentionner que l’irrégularité dans le temps de la collecte des échantillons sanguins peut avoir un impact non-négligeable sur la performance prédictive des R-LSS. Or, à ce jour, cet impact n’a fait l’objet d’aucune étude. Cette thèse de doctorat se penche sur ces problématiques afin de permettre une estimation précise et pratique de la SSC. Ces études ont été effectuées dans le cadre de l’utilisation de la CsA chez des patients pédiatriques ayant subi une greffe de cellules souches hématopoïétiques. D’abord, des approches de régression multiple ainsi que d’analyse pharmacocinétique de population (Pop-PK) ont été utilisées de façon constructive afin de développer et de valider adéquatement des LSS. Ensuite, plusieurs modèles Pop-PK ont été évalués, tout en gardant à l’esprit leur utilisation prévue dans le contexte de l’estimation de la SSC. Aussi, la performance des B-LSS ciblant différentes versions de SSC a également été étudiée. Enfin, l’impact des écarts entre les temps d’échantillonnage sanguins réels et les temps nominaux planifiés, sur la performance de prédiction des R-LSS a été quantifié en utilisant une approche de simulation qui considère des scénarios diversifiés et réalistes représentant des erreurs potentielles dans la cédule des échantillons sanguins. Ainsi, cette étude a d’abord conduit au développement de R-LSS et B-LSS ayant une performance clinique satisfaisante, et qui sont pratiques puisqu’elles impliquent 4 points d’échantillonnage ou moins obtenus dans les 4 heures post-dose. Une fois l’analyse Pop-PK effectuée, un modèle structural à deux compartiments avec un temps de délai a été retenu. Cependant, le modèle final - notamment avec covariables - n’a pas amélioré la performance des B-LSS comparativement aux modèles structuraux (sans covariables). En outre, nous avons démontré que les B-LSS exhibent une meilleure performance pour la SSC dérivée des concentrations simulées qui excluent les erreurs résiduelles, que nous avons nommée « underlying AUC », comparée à la SSC observée qui est directement calculée à partir des concentrations mesurées. Enfin, nos résultats ont prouvé que l’irrégularité des temps de la collecte des échantillons sanguins a un impact important sur la performance prédictive des R-LSS; cet impact est en fonction du nombre des échantillons requis, mais encore davantage en fonction de la durée du processus d’échantillonnage impliqué. Nous avons aussi mis en évidence que les erreurs d’échantillonnage commises aux moments où la concentration change rapidement sont celles qui affectent le plus le pouvoir prédictif des R-LSS. Plus intéressant, nous avons mis en exergue que même si différentes R-LSS peuvent avoir des performances similaires lorsque basées sur des temps nominaux, leurs tolérances aux erreurs des temps d’échantillonnage peuvent largement différer. En fait, une considération adéquate de l'impact de ces erreurs peut conduire à une sélection et une utilisation plus fiables des R-LSS. Par une investigation approfondie de différents aspects sous-jacents aux stratégies d’échantillonnages limités, cette thèse a pu fournir des améliorations méthodologiques notables, et proposer de nouvelles voies pour assurer leur utilisation de façon fiable et informée, tout en favorisant leur adéquation à la pratique clinique.

Impact de la maladie du greffon contre l’hôte sur la reconstitution immunitaire suite à une transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (ASCT) est couramment utilisée pour traiter différents cancers hématologiques. Malheureusement, l’effet bénéfique de cette technique est limité par la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) qui demeure la cause principale de mortalité post-greffe. La GVHD endommage différents organes et retarde la reconstitution immunitaire des lymphocytes T (LT) ce qui augmente les risques d’infection et de rechute. Le développement de nouveaux traitements permettant d’accélérer la reconstitution immunitaire augmenterait donc les chances de survie des patients greffés. Il existe deux façons de régénérer des LT: via la thymopoïèse qui consiste à produire de nouveaux LT, ou par la prolifération homéostatique (PH) qui implique l’expansion rapide des LT matures retrouvés dans le greffon. La PH requiert deux signaux essentiels: l’interleukine-7 (IL-7) et la présentation d’antigènes du soi par les cellules dendritiques (DC) via le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) I pour les LT CD8+ et le CMH II pour les LT CD4+. Dans un contexte d’ASCT, la chimiothérapie et la GVHD endommagent le thymus rendant la thymopoïèse inefficace. Par conséquent, la reconstitution immunitaire repose presque entièrement sur la PH des LT. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment la GVHD affecte la reconstitution des LT. Grâce à un modèle murin, nous avons démontré que la PH des LT CD4+ est absente durant la GVHD et ce, dû à de faibles niveaux d’IL-7 et une diminution du nombre de DC. La perte des DC est en grande partie causée par des niveaux réduits de stromal derived factor-1α (SDF-1α) et par l’absence de progéniteurs de DC dans la moelle osseuse des souris en GVHD. Le traitement des souris en GVHD avec du SDF-1α permet d’augmenter le nombre de DC, et lorsqu’administré avec l’IL-7, améliore significativement la PH des LT CD4+. Contrairement aux LT CD4+, l’administration d’IL-7 seule est suffisante pour restaurer la PH des LT CD8+ durant la GVHD et ce, même en absence des DC. Ces différences s’expliquent pour deux raisons : 1) l’expression du CMH I, contrairement au CMH II, n’est pas limitée aux DC mais est également exprimée par les cellules stromales du receveur ce qui est suffisant pour induire la PH des LT CD8+ et 2) les LT CD8+ répondent à des concentrations plus faibles d’IL-7 systémique comparativement aux LT CD4+. En conclusion, l’ensemble de ces résultats permettra de mettre en place des études translationnelles sur le potentiel thérapeutique du SDF-1α et de l’IL-7 dans la reconstitution immunitaire des patients greffés.

The long-term safety and efficacy of bilateral transplantation of human fetal striatal tissue in patients with mild to moderate Huntington's disease.

Huntington's disease (HD) is a fatal autosomal dominant neurodegenerative disease involving progressive motor, cognitive and behavioural decline, leading to death approximately 20 years after motor onset. The disease is characterised pathologically by an early and progressive striatal neuronal cell loss and atrophy, which has provided the rationale for first clinical trials of neural repair using fetal striatal cell transplantation. Between 2000 and 2003, the 'NEST-UK' consortium carried out bilateral striatal transplants of human fetal striatal tissue in five HD patients. This paper describes the long-term follow up over a 3-10-year postoperative period of the patients, grafted and non-grafted, recruited to this cohort using the 'Core assessment program for intracerebral transplantations-HD' assessment protocol. No significant differences were found over time between the patients, grafted and non-grafted, on any subscore of the Unified Huntington's Disease Rating Scale, nor on the Mini Mental State Examination. There was a trend towards a slowing of progression on some timed motor tasks in four of the five patients with transplants, but overall, the trial showed no significant benefit of striatal allografts in comparison with a reference cohort of patients without grafts. Importantly, no significant adverse or placebo effects were seen. Notably, the raclopride positron emission tomography (PET) signal in individuals with transplants, indicated that there was no obvious surviving striatal graft tissue. This study concludes that fetal striatal allografting in HD is safe. While no sustained functional benefit was seen, we conclude that this may relate to the small amount of tissue that was grafted in this safety study compared with other reports of more successful transplants in patients with HD.

Establishment of a Brazilian Line of Human Embryonic Stem Cells in Defined Medium: Implications for Cell Therapy in an Ethnically Diverse Population

Pluripotent human embryonic stem (hES) cells are an important experimental tool for basic and applied research, and a potential source of different tissues for transplantation. However, one important challenge for the clinical use of these cells is the issue of immunocompatibility, which may be dealt with by the establishment of hES cell banks to attend different populations. Here we describe the derivation and characterization of a line of hES cells from the Brazilian population, named BR-I, in commercial defined medium. In contrast to the other hES cell lines established in defined medium, BR-I maintained a stable normal karyotype as determined by genomic array analysis after 6 months in continuous culture (passage 29). To our knowledge, this is the first reported line of hES cells derived in South America. We have determined its genomic ancestry and compared the HLA-profile of BR-I and another 22 hES cell lines established elsewhere with those of the Brazilian population, finding they would match only 0.011% of those individuals. Our results highlight the challenges involved in hES cell banking for populations with a high degree of ethnic admixture.

A New and Fast Technique to Generate Offspring after Germ Cells Transplantation in Adult Fish: The Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) Model

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)