Translational research and therapeutic applications of neural crest-derived stem cells in regenerative periodontology

Regeneration of periodontal tissues aims to utilize tissue engineering techniques to restore lost periodontal tissues including the cementum, periodontal ligament and alveolar bone. Regenerative dentistry and its special field regenerative periodontology represent relatively new and emerging branches of translational stem cell biology and regenerative medicine focusing on replacing and regenerating dental tissues to restore or re-establish their normal function lost during degenerative diseases or acute lesions. The regeneration itself can be achieved through transplantation of autologous or allogenic stem cells, or by improving the tissue self-repair mechanisms (e.g. by application of growth factors). In addition, a combination of stem cells or stem cell-containing tissue with bone implants can be used to improve tissue integration and the clinical outcome. As the oral cavity represents a complex system consisting of teeth, bone, soft tissues and sensory nerves, regenerative periodontology relies on the use of stem cells with relatively high developmental potential. Notably, the potential use of pluripotent stem cell types such as human embryonic stem cells or induced pluripotent stem cells is still aggravated by ethical and practical problems. Thus, other cellular sources such as those readily available in the postnatal craniofacial area and particularly in oral structures offer a much better and realistic alternative as cellular regenerative sources. In this review, we summarize current knowledge on the oral neural crest-derived stem cell populations (oNCSCs) and discuss their potential in regenerative periodontology.

3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

Mesenchymal stromal cell: new applications for regenerative medicine

In the last decades mesenchymal stromal cells (MSC), intriguing for their multilineage plasticity and their proliferation activity in vitro, have been intensively studied for innovative therapeutic applications. In the first project, a new method to expand in vitro adipose derived-MSC (ASC) while maintaining their progenitor properties have been investigated. ASC are cultured in the same flask for 28 days in order to allow cell-extracellular matrix and cell-cell interactions and to mimic in vivo niche. ASC cultured with this method (Unpass cells) were compared with ASC cultured under classic condition (Pass cells). Unpass and Pass cells were characterized in terms of clonogenicity, proliferation, stemness gene expression, differentiation in vitro and in vivo and results obtained showed that Unpass cells preserve their stemness and phenotypic properties suggesting a fundamental role of the niche in the maintenance of ASC progenitor features. Our data suggests alternative culture conditions for the expansion of ASC ex vivo which could increase the performance of ASC in regenerative applications. In vivo MSC tracking is essential in order to assess their homing and migration. Super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have been used to track MSC in vivo due to their biocompatibility and traceability by MRI. In the second project a new generation of magnetic nanoparticles (MNP) used to label MSC were tested. These MNP have been functionalized with hyperbranched poly(epsilon-lysine)dendrons (G3CB) in order to interact with membrane glycocalix of the cells avoiding their internalization and preventing any cytotoxic effects. In literature it is reported that labeling of MSC with SPION takes long time of incubation. In our experiments after 15min of incubation with G3CB-MNP more then 80% of MSC were labeled. The data obtained from cytotoxic, proliferation and differentiation assay showed that labeling does not affect MSC properties suggesting a potential application of G3CB nano-particles in regenerative medicine.

Beneficial effects of adiponectin on periodontal ligament cells under normal and regenerative conditions

Type 2 diabetes and obesity are increasing worldwide and linked to periodontitis, a chronic disease which is characterized by the irreversible destruction of the tooth-supporting tissues, that is, periodontium. The mechanisms underlying the association of diabetes mellitus and obesity with periodontal destruction and compromised periodontal healing are not well understood, but decreased plasma levels of adiponectin, as found in diabetic and obese individuals, might be a critical mechanistic link. The aim of this in vitro study was to examine the effects of adiponectin on periodontal ligament (PDL) cells under normal and regenerative conditions, and to study the regulation of adiponectin and its receptors in these cells. Adiponectin stimulated significantly the expression of growth factors and extracellular matrix, proliferation, and in vitro wound healing, reduced significantly the constitutive tumor necrosis factor-α expression, and caused a significant upregulation of its own expression. The beneficial actions of enamel matrix derivative on a number of PDL cell functions critical for periodontal regeneration were partially enhanced by adiponectin. The periodontopathogen Porphyromonas gingivalis inhibited the adiponectin expression and stimulated the expression of its receptors. In conclusion, reduced levels of adiponectin, as found in type 2 diabetes and obesity, may compromise periodontal health and healing.

Clinical and radiographic outcomes of a combined resective and regenerative approach in the treatment of peri-implantitis: a prospective case series

AIM To assess the clinical and radiographic outcomes applying a combined resective and regenerative approach in the treatment of peri-implantitis. MATERIALS AND METHODS Subjects with implants diagnosed with peri-implantitis (i.e., pocket probing depth (PPD) ≥5 mm with concomitant bleeding on probing (BoP) and ≥2 mm of marginal bone loss or exposure of ≥1 implant thread) were treated by means of a combined approach including the application of a deproteinized bovine bone mineral and a collagen membrane in the intrabony and implantoplasty in the suprabony component of the peri-implant lesion, respectively. The soft tissues were apically repositioned allowing for a non-submerged healing. Clinical and radiographic parameters were evaluated at baseline and 12 months after treatment. RESULTS Eleven subjects with 11 implants were treated and completed the 12-month follow-up. No implant was lost yielding a 100% survival rate. At baseline, the mean PPD and mean clinical attachment level (CAL) were 8.1 ± 1.8 mm and 9.7 ± 2.5 mm, respectively. After 1 year, a mean PPD of 4.0 ± 1.3 mm and a mean CAL of 6.7 ± 2.5 mm were assessed. The differences between the baseline and the follow-up examinations were statistically significant (P = 0.001). The mucosal recession increased from 1.7 ± 1.5 at baseline to 3.0 ± 1.8 mm at the 12-month follow-up (P = 0.003). The mean% of sites with BoP+ around the selected implants decreased from 19.7 ± 40.1 at baseline to 6.1 ± 24.0 after 12 months (P = 0.032). The radiographic marginal bone level decreased from 8.0 ± 3.7 mm at baseline to 5.2 ± 2.2 mm at the 12-month follow-up (P = 0.000001). The radiographic fill of the intrabony component of the defect amounted to 93.3 ± 13.0%. CONCLUSION Within the limits of this study, a combined regenerative and resective approach for the treatment of peri-implant defects yielded positive outcomes in terms of PPD reduction and radiographic defect fill after 12 months.

Classification of platelet concentrates (Platelet-Rich Plasma-PRP, Platelet-Rich Fibrin-PRF) for topical and infiltrative use in orthopedic and sports medicine: current consensus, clinical implications and perspectives.

Platelet concentrates for topical and infiltrative use - commonly termed Platetet-Rich Plasma (PRP) or Platelet-Rich Fibrin (PRF) - are used or tested as surgical adjuvants or regenerative medicine preparations in most medical fields, particularly in sports medicine and orthopaedic surgery. Even if these products offer interesting therapeutic perspectives, their clinical relevance is largely debated, as the literature on the topic is often confused and contradictory. The long history of these products was always associated with confusions, mostly related to the lack of consensual terminology, characterization and classification of the many products that were tested in the last 40 years. The current consensus is based on a simple classification system dividing the many products in 4 main families, based on their fibrin architecture and cell content: Pure Platelet-Rich Plasma (P-PRP), such as the PRGF-Endoret technique; Leukocyte- and Platelet-Rich Plasma (LPRP), such as Biomet GPS system; Pure Platelet-Rich Fibrin (P-PRF), such as Fibrinet; Leukocyte- and Platelet-Rich Fibrin (L-PRF), such as Intra-Spin L-PRF. The 4 main families of products present different biological signatures and mechanisms, and obvious differences for clinical applications. This classification serves as a basis for further investigations of the effects of these products. Perspectives of evolutions of this classification and terminology are also discussed, particularly concerning the impact of the cell content, preservation and activation on these products in sports medicine and orthopaedics.

Organ Culture Bioreactors - Platforms to Study Human Intervertebral Disc Degeneration and Regenerative Therapy.

In recent decades the application of bioreactors has revolutionized the concept of culturing tissues and organs that require mechanical loading. In intervertebral disc (IVD) research, collaborative efforts of biomedical engineering, biology and mechatronics have led to the innovation of new loading devices that can maintain viable IVD organ explants from large animals and human cadavers in precisely defined nutritional and mechanical environments over extended culture periods. Particularly in spine and IVD research, these organ culture models offer appealing alternatives, as large bipedal animal models with naturally occurring IVD degeneration and a genetic background similar to the human condition do not exist. Latest research has demonstrated important concepts including the potential of homing of mesenchymal stem cells to nutritionally or mechanically stressed IVDs, and the regenerative potential of "smart" biomaterials for nucleus pulposus or annulus fibrosus repair. In this review, we summarize the current knowledge about cell therapy, injection of cytokines and short peptides to rescue the degenerating IVD. We further stress that most bioreactor systems simplify the real in vivo conditions providing a useful proof of concept. Limitations are that certain aspects of the immune host response and pain assessments cannot be addressed with ex vivo systems. Coccygeal animal disc models are commonly used because of their availability and similarity to human IVDs. Although in vitro loading environments are not identical to the human in vivo situation, 3D ex vivo organ culture models of large animal coccygeal and human lumbar IVDs should be seen as valid alternatives for screening and feasibility testing to augment existing small animal, large animal, and human clinical trial experiments.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Human Fetal Progenitor Tenocytes for Regenerative Medicine.

Tendon injuries are very frequent and affect a wide and heterogeneous population. Unfortunately, the healing process is long with outcomes that are not often satisfactory due to fibrotic tissue appearance, which leads to scar and adhesion development. Tissue engineering and cell therapies emerge as interesting alternatives to classical treatments. In this study, we evaluated human fetal progenitor tenocytes (hFPTs) as a potential cell source for treatment of tendon afflictions, as fetal cells are known to promote healing in a scarless regenerative process. hFPTs presented a rapid and stable growth up to passage 9, allowing to create a large cell bank for off-the-shelf availability. hFPTs showed a strong tenogenic phenotype with an excellent stability, even when placed in conditions normally inducing cells to differentiate. The karyotype also indicated a good stability up to passage 12, which is far beyond that necessary for clinical application (passage 6). When placed in coculture, hFPTs had the capacity to stimulate human adult tenocytes (hATs), which are responsible for the deposition of a new extracellular matrix during tendon healing. Finally, it was possible to distribute cells in porous or gel scaffolds with an excellent survival, thus permitting a large variety of applications (from simple injections to grafts acting as filling material). All of these results are encouraging in the development of an off-the-shelf cell source capable of stimulating tendon regeneration for the treatment of tendon injuries.

Major depressive disorder and nutritional medicine : a review of monotherapies and adjuvant treatments

A literature review was conducted to examine the evidence for nutritional interventions in depression. It revealed a number of significant conclusions. Interestingly, more positive clinical trials were found to support adjuvant, rather than monotherapeutic, use of nutrients to treat depression. Much evidence exists in the area of adjuvant application of folic acid, S-adenosyl-methionine, omega-3, and L-tryptophan with antidepressants. Current evidence does not support omega-3 as an effective monotherapy to treat depression. However, this may be due, at least in part, to olive oil being used as the control intervention, some studies using docosahexaenoic acid alone or a higher docosahexaenoic acid to eicosapentaenoic acid ratio, and significant heterogeneity regarding depressive populations. Nevertheless, adjunctive prescription of omega-3 with antidepressants, or in people with dietary deficiency, may be beneficial. Inositol lacks evidence as an effective antidepressant and cannot be currently recommended. Evidence on the use of L-trytophan for depression is inconclusive and additional studies utilizing a more robust methodology are required.