Microspheres as a vehicle for biomolecule delivery to neural stem cells

Neural stem cells (NSC) are a valuable model system for understanding the intrinsic and extrinsic controls for self-renewal and differentiation choice. They also offer a platform for drug screening and neurotoxicity studies, and hold promise for cell replacement therapies for the treatment of neurodegenerative diseases. Fully exploiting the potential of this experimental tool often requires the manipulation of intrinsic cues of interest using transfection methods, to which NSC are relatively resistant. In this paper, we show that mouse and human NSC readily take up polystyrene-based microspheres which can be loaded with a range of chemical or biological cargoes. This uptake can take place in the undifferentiated stage without affecting NSC proliferation and their capacity to give rise to neurons and glia. We demonstrate that ß-galactosidase-loaded microspheres could be efficiently introduced into NSC with no apparent toxic effect, thus providing proof-of-concept for the use of microspheres as an alternative biomolecule delivery system.

Directing migration of endothelial progenitor cells with applied DC electric fields

Naturally-occurring, endogenous electric fields (EFs) have been detected at skin wounds, damaged tissue sites and vasculature. Applied EFs guide migration of many types of cells, including endothelial cells to migrate directionally. Homing of endothelial progenitor cells (EPCs) to an injury site is important for repair of vasculature and also for angiogenesis. However, it has not been reported whether EPCs respond to applied EFs. Aiming to explore the possibility to use electric stimulation to regulate the progenitor cells and angiogenesis, we tested the effects of direct-current (DC) EFs on EPCs. We first used immunofluorescence to confirm the expression of endothelial progenitor markers in three lines of EPCs. We then cultured the progenitor cells in EFs. Using time-lapse video microscopy, we demonstrated that an applied DC EF directs migration of the EPCs toward the cathode. The progenitor cells also align and elongate in an EF. Inhibition of vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor signaling completely abolished the EF-induced directional migration of the progenitor cells. We conclude that EFs are an effective signal that guides EPC migration through VEGF receptor signaling in vitro. Applied EFs may be used to control behaviors of EPCs in tissue engineering, in homing of EPCs to wounds and to an injury site in the vasculature.

Cardiac Neural Crest Cells Affect the Development of the Myocardium and Conduction System in the Mouse

Neural crest cells originate from the dorsal most region of the embryonic neural tube. These cells migrate into several embryonic locations and differentiate into a variety of cell types. Cardiac neural crest (CNC) cells are a set of neural crest progenitors that aid in the proper formation of the cardiac septum, which separates the pulmonary from the systemic circulation. We have used Splotch mice to investigate whether the murine CNC cells play a role during the development oft he myocardium and the conduction system. Splotch mice carry a mutation in the P AX3 transcription factor, and display a problem in CNC cell migration. A scanning-electron-microscopy analysis of Splotch mutant-embryonic-hearts reveals abnormalities in the interventricular septum. In addition, the right and left ventricular cavities appear dilated relative to a wild type heart. Hoechst nuclei staining of Splotch heart cryosections demonstrates a decreased number of cardiomyocytes and a corresponding thinner ventricular wall. The absence of Connexin 40 in the ventricles of Splotch mutants, suggests conduction system defects. These results support the evidence that CNC cell signaling plays a role in modulating the growth and development of murine cardiomyocytes and their differentiation into conductile cells.

Cardiac Neural Crest Cells and Their Role in Murine Purkinje Fiber Development

The heart beat is regulated by the cardiac conduction system (CCS), a specialized group of cells that transmit electrical impulses around the heart chambers. During development, ventricular CCS cells originate from embryonic cardiomyocytes and not from the neural crest. Nonetheless, discoveries in chick implied that the cardiac neural crest (CNC) cells contribute to proper development of the ventricular CCS. In this report, the Splotch mouse mutant (Pax3sp), in which the CNC cells do not migrate to the heart, was used to investigate whether these cells also affect proper CCS development in mammals. Homozygote mutants (Pax3Sp!Sp) are lethal on 111 Embryonic Day 13 (E13), and can be phenotyped by spina bifida and exencephaly. Pax3Spi+ mice were crossed to obtain wild type, Pax3 Spi+ and Pax3 Sp!Sp embryos. Comparison of hematoxylin and eosin stained histological sections showed less trabeculation in El2.5 cardiac ventricles of Pax3Sp!Sp. Furthermore, immunofluorescence analysis with the Purkinje fiber marker Cx40 showed a qualitative difference between wild type and mutant hearts. Quantitative analysis indicated that Pax3 Sp!Sp ventricles had fewer Cx40 expressing cells, as well as less Cx40 being expressed per cell when compared to wild type ventricles. Immunofluorescence with the H3 histome mitosis antibody showed fewer proliferating cells in the ventricles of mutant embryos when compared to controls. These results suggest that CNCC affect the morphogenesis of cardiac ventricles and the development of the ventricular CCS by contributing cellular proliferation.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Evaluation of circulating endothelial progenitor cells by multicolor flow cytometry in chronic kidney disease patients

Endothelial dysfunction and impaired endothelial regenerative capacity play a key role in the pathogenesis of cardiovascular disease, which is one of the major causes of mortality in chronic kidney disease (CKD) patients. Circulating endothelial cells (CEC) may be an indicator of vascular damage, while circulating endothelial progenitor cells (EPC) may be a biomarker for vascular repair. However, the simultaneously evaluation of CEC and EPC circulating levels and its relation were not previously examined in CKD population. A blood sample (18ml) of healthy subjects (n=10), early CKD (n=10) and advanced CKD patients (n=10) was used for the isolation of early and late EPCs, CECs, and hematopoietic cells, identified by flow cytometry (BD FACSCanto™ II system) using a combination of fluorochrome-conjugated primary antibodies: CD31-PE, CD45-APC Cy7, CD34-FITC, CD117-PerCp Cy5.5, CD133-APC, CD146-Pacific Blue, and CD309-PECy7. Exclusion of dead cells was done according to a fixable viability dye staining. This eightcolor staining flow cytometry optimized protocol allowed us to accurate simultaneously identify EPCs, CECs and hematopoietic cells. In addition, it was also possible to distinguish the two subpopulations of EPCs, early and late EPCs subpopulation, by CD45intCD31+CD34+CD117-CD133+CD309-CD146- and CD45intCD31+CD34+CD117-CD133-CD309+CD146- multiple labeling, respectively. Moreover, the identification of CECs and hematopoietic cells was performed by CD45-CD31+CD34-/lowCD117-CD133-CD309-CD146+ and CD34+CD117+, respectively. The levels of CECs were non-significantly increased in early CKD (312.06 ± 91.34) and advanced CKD patients (191.43±49.86) in comparison with control group (103.23±24.13). By contrast, the levels of circulating early EPCs were significantly reduced in advanced CKD population (17.03±3.23) in comparison with early CKD (32.31±4.97), p=0.04 and control group (36.25 ± 6.16), p=0.03. In addition the levels of late EPCs were significantly reduced in both advanced (6.60±1.89), p=0.01, and early CKD groups (8.42±2.58), p=0.01 compared with control group (91.54±29.06). These results were accompanied by a dramatically reduction in the recruitment, differentiation and regenerative capacity indexes in CKD population. Taken together, these results suggest an imbalance in the process of endothelial repairment in CKD population, and further propose that the indexes of recruitment, differentiation and regenerative capacity of EPCs, may help to select the patients to benefit from guiding intervention strategies to improve cardiovascular health by inducing vascular protection.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Implantation of mouse embryonic stem cell-derived cardiac progenitor cells preserves function of infarcted murine hearts.

Stem cell transplantation holds great promise for the treatment of myocardial infarction injury. We recently described the embryonic stem cell-derived cardiac progenitor cells (CPCs) capable of differentiating into cardiomyocytes, vascular endothelium, and smooth muscle. In this study, we hypothesized that transplanted CPCs will preserve function of the infarcted heart by participating in both muscle replacement and neovascularization. Differentiated CPCs formed functional electromechanical junctions with cardiomyocytes in vitro and conducted action potentials over cm-scale distances. When transplanted into infarcted mouse hearts, CPCs engrafted long-term in the infarct zone and surrounding myocardium without causing teratomas or arrhythmias. The grafted cells differentiated into cross-striated cardiomyocytes forming gap junctions with the host cells, while also contributing to neovascularization. Serial echocardiography and pressure-volume catheterization demonstrated attenuated ventricular dilatation and preserved left ventricular fractional shortening, systolic and diastolic function. Our results demonstrate that CPCs can engraft, differentiate, and preserve the functional output of the infarcted heart.

The role of the dopaminergic neurotrophin growth/differentiation factor-5 in the developing rat ventral midbrain

Growth differentiation factor-5 (GDF-5) is a member of the transforming growth factor-β superfamily, a family of proteins that play diverse roles in many aspects of cell growth, proliferation and differentiation. GDF-5 has also been shown to be a trophic factor for embryonic midbrain dopaminergic neurons in vitro (Krieglstein et al. 1995) and after transplantation to adult rats in vivo (Sullivan et al. 1998). GDF-5 has also been shown to have neuroprotective and neurorestorative effects on adult dopaminergic neurons in the substantia nigra in animal models of Parkinson’s disease (Sullivan et al. 1997, 1999; Hurley et al. 2004). This experimental evidence has lead to GDF-5 being proposed as a neurotrophic factor with potential for use in the treatment of Parkinson’s disease. However, it is not know if GDF-5 is expressed in the brain and whether it plays a role in dopaminergic neuron development. The experiments presented here aim to address these questions. To that end this thesis is divided into five separate studies each addressing a particular question associated with GDF-5 and its expression patterns and roles during the development of the rat midbrain. Expression of the GDF-5 in the developing rat ventral mesencephalon (VM) was found to begin at E12 and peak on E14, the day that dopaminergic neurons undergo terminal differentiation. In the adult rat, GDF-5 was found to be restricted to heart and brain, being expressed in many areas of the brain, including striatum and midbrain. This indicated a role for GDF-5 in the development and maintenance of dopaminergic neurons. The appropriate receptors for GDF-5 (BMPR-II and BMPR-Ib) were found to be expressed at high levels in the rat VM at E14 and BMPR-II expression was demonstrated on dopaminergic neurons in the E13 mouse VM. GDF-5 resulted in a three-fold increase in the numbers of dopaminergic neurons in cultures of E14 rat VM, without affecting the numbers of neurones or total cells. GDF-5 was found to increase the proportion of neurons that were dopaminergic. The numbers of Nurr1-positive cells were not affected by GDF-5 treatment, but GDF-5 did increase the numbers of Nurr1- positive cells that expressed tyrosine hydroxylase (TH). Taken together this data indicated that GDF-5 increases the conversion of Nurr1-positive, TH-negative cells to Nurr1-positive, TH-positive cells. In GDF-5 treated cultures, total neurite length, neurite arborisation and somal area of dopaminergic were all significantly increased compared to control cultures. Thus this study showed that GDF-5 increased the numbers and morphological differentiation of VM dopaminergic neurones in vitro. In order to examine if GDF-5 could induce a dopaminergic phenotype in neural progenitor cells, neurosphere cultures prepared from embryonic rat VM were established. The effect of the gestational age of the donor VM on the proportion of cell types generated from neurospheres from E12, E13 and E14 VM was examined. Dopaminergic neurons could only be generated from neurospheres which were prepared from E12 VM. Thus in subsequent studies the effect of GDF-5 on dopaminergic induction was examined in progentior cell cultures prepared from the E12 rat VM. In primary cultures of E12 rat VM, GDF-5 increased the numbers of TH-positive cells without affecting the proliferation or survival of these cells. In cultures of expanded neural progenitor cells from the E12 rat VM, GDF-5 increased the expression of Nurr1 and TH, an action that was dependent on signalling through the BMPR-Ib receptor. Taken together, these experiments provide evidence that GDF-5 is expressed in the developing rat VM, is involved in both the induction of a dopaminergic phenotype in cells of the VM and in the subsequent morphological development of these dopaminergic neurons

Development of human central nervous system 3D in vitro models for preclinical research

Neurological disorders are a major concern in modern societies, with increasing prevalence mainly related with the higher life expectancy. Most of the current available therapeutic options can only control and ameliorate the patients’ symptoms, often be-coming refractory over time. Therapeutic breakthroughs and advances have been hampered by the lack of accurate central nervous system (CNS) models. The develop-ment of these models allows the study of the disease onset/progression mechanisms and the preclinical evaluation of novel therapeutics. This has traditionally relied on genetically engineered animal models that often diverge considerably from the human phenotype (developmentally, anatomically and physiologically) and 2D in vitro cell models, which fail to recapitulate the characteristics of the target tissue (cell-cell and cell-matrix interactions, cell polarity). The in vitro recapitulation of CNS phenotypic and functional features requires the implementation of advanced culture strategies that enable to mimic the in vivo struc-tural and molecular complexity. Models based on differentiation of human neural stem cells (hNSC) in 3D cultures have great potential as complementary tools in preclinical research, bridging the gap between human clinical studies and animal models. This thesis aimed at the development of novel human 3D in vitro CNS models by integrat-ing agitation-based culture systems and a wide array of characterization tools. Neural differentiation of hNSC as 3D neurospheres was explored in Chapter 2. Here, it was demonstrated that human midbrain-derived neural progenitor cells from fetal origin (hmNPC) can generate complex tissue-like structures containing functional dopaminergic neurons, as well as astrocytes and oligodendrocytes. Chapter 3 focused on the development of cellular characterization assays for cell aggregates based on light-sheet fluorescence imaging systems, which resulted in increased spatial resolu-tion both for fixed samples or live imaging. The applicability of the developed human 3D cell model for preclinical research was explored in Chapter 4, evaluating the poten-tial of a viral vector candidate for gene therapy. The efficacy and safety of helper-dependent CAV-2 (hd-CAV-2) for gene delivery in human neurons was evaluated, demonstrating increased neuronal tropism, efficient transgene expression and minimal toxicity. The potential of human 3D in vitro CNS models to mimic brain functions was further addressed in Chapter 5. Exploring the use of 13C-labeled substrates and Nucle-ar Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy tools, neural metabolic signatures were evaluated showing lineage-specific metabolic specialization and establishment of neu-ron-astrocytic shuttles upon differentiation. Chapter 6 focused on transferring the knowledge and strategies described in the previous chapters for the implementation of a scalable and robust process for the 3D differentiation of hNSC derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC). Here, software-controlled perfusion stirred-tank bioreactors were used as technological system to sustain cell aggregation and dif-ferentiation. The work developed in this thesis provides practical and versatile new in vitro ap-proaches to model the human brain. Furthermore, the culture strategies described herein can be further extended to other sources of neural phenotypes, including pa-tient-derived hiPSC. The combination of this 3D culture strategy with the implemented characterization methods represents a powerful complementary tool applicable in the drug discovery, toxicology and disease modeling.

Caractérisation moléculaire du rôle de Lhx2 dans le développement de l'oeil et du cerveau

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

TRIM32 regulates skeletal muscle stem cell differentiation and is necessary for normal adult muscle regeneration

Limb girdle muscular dystrophy type 2H (LGMD2H) is an inherited autosomal recessive disease of skeletal muscle caused by a mutation in the TRIM32 gene. Currently its pathogenesis is entirely unclear. Typically the regeneration process of adult skeletal muscle during growth or following injury is controlled by a tissue specific stem cell population termed satellite cells. Given that TRIM32 regulates the fate of mammalian neural progenitor cells through controlling their differentiation, we asked whether TRIM32 could also be essential for the regulation of myogenic stem cells. Here we demonstrate for the first time that TRIM32 is expressed in the skeletal muscle stem cell lineage of adult mice, and that in the absence of TRIM32, myogenic differentiation is disrupted. Moreover, we show that the ubiquitin ligase TRIM32 controls this process through the regulation of c-Myc, a similar mechanism to that previously observed in neural progenitors. Importantly we show that loss of TRIM32 function induces a LGMD2H-like phenotype and strongly affects muscle regeneration in vivo. Our studies implicate that the loss of TRIM32 results in dysfunctional muscle stem cells which could contribute to the development of LGMD2H.