Self-assembly of sensory neurons into ganglia-like microtissues

Unraveling intra- and inter-cellular signaling networks managing cell-fate control, coordinating complex differentiation regulatory circuits and shaping tissues and organs in living systems remain major challenges in the post-genomic era. Resting on the laurels of past-century monolayer culture technologies, the cell culture community has only recently begun to appreciate the potential of three-dimensional mammalian cell culture systems to reveal the full scope of mechanisms orchestrating the tissue-like cell quorum in space and time. Capitalizing on gravity-enforced self-assembly of monodispersed primary embryonic mouse cells in hanging drops, we designed and characterized a three-dimensional cell culture model for ganglion-like structures. Within 24h, a mixture of mouse embryonic fibroblasts (MEF) and cells, derived from the dorsal root ganglion (DRG) (sensory neurons and Schwann cells) grown in hanging drops, assembled to coherent spherical microtissues characterized by a MEF feeder core and a peripheral layer of DRG-derived cells. In a time-dependent manner, sensory neurons formed a polar ganglion-like cap structure, which coordinated guided axonal outgrowth and innervation of the distal pole of the MEF feeder spheroid. Schwann cells, present in embryonic DRG isolates, tended to align along axonal structures and myelinate them in an in vivo-like manner. Whenever cultivation exceeded 10 days, DRG:MEF-based microtissues disintegrated due to an as yet unknown mechanism. Using a transgenic MEF feeder spheroid, engineered for gaseous acetaldehyde-inducible interferon-beta (ifn-beta) production by cotransduction of retro-/ lenti-viral particles, a short 6-h ifn-beta induction was sufficient to rescue the integrity of DRG:MEF spheroids and enable long-term cultivation of these microtissues. In hanging drops, such microtissues fused to higher-order macrotissue-like structures, which may pave the way for sophisticated bottom-up tissue engineering strategies. DRG:MEF-based artificial micro- and macrotissue design demonstrated accurate key morphological aspects of ganglions and exemplified the potential of self-assembled scaffold-free multicellular micro-/macrotissues to provide new insight into organogenesis.

Human intervertebral disc cells promote nerve growth over substrata of human intervertebral disc aggrecan

Study Design. Coculture assays of the migration and interaction of human intervertebral disc cells and chick sensory nerves on alternate substrata of collagen and aggrecan. Objective. To examine the effects of aggrecan on disc cell migration, how disc cells and sensory nerves interact, and whether disc cells affect previously reported inhibitory effects of aggrecan on sensory nerve growth. Summary of Background Data. Human intervertebral disc aggrecan is inhibitory to sensory nerve growth in vitro, suggesting that a loss of aggrecan from the disc may have a role in the increased innervation seen in disc degeneration. Endothelial cells that appear to co-migrate with nerves into degenerated intervertebral disc express neurotrophic factors, but the effects of disc cells on nerve growth are not known. Methods. Human disc cells were seeded onto tissue culture plates that had been coated with type I collagen and human intervertebral disc aggrecan. Explants of chick dorsal root ganglions (DRGs) were subsequently added to the plates and sensory neurite outgrowth stimulated by the addition of nerve growth factor. Time-lapse video and fluorescence microscopy were used to examine the migration and interaction of the disc cells and sensory neurites, in the context of the different matrix substrata. The effects of disc cell conditioned medium on nerve growth were also examined. Results. Disc cells spread and migrated on collagen until they encountered the aggrecan substrata, where some cells, but not all, were repelled. In coculture, DRG neurites extended onto the collagen/disc cells until they encountered the aggrecan, where, like the disc cells, many were repelled. However, in the presence of disc cells, some neurites were able to cross onto this normally inhibitory substratum. The number of neurite crossings onto aggrecan correlated significantly with the number of disc cells present on the aggrecan. In control experiments using DRG alone, all extending neurites were repelled at the collagen/aggrecan border. Conditioned medium from disc cell cultures stimulated DRG neurite outgrowth on collagen but did not increase neurite crossing onto aggrecan substrata. Conclusions. Human disc cells migrate across aggrecan substrata that are repellent to sensory DRG neurites. Disc cells synthesize neurotrophic factors in vitro that promote neurite outgrowth. Furthermore, the presence of disc cells in coculture with DRG partially abrogates the inhibitory effects of aggrecan on nerve growth. These findings have important implications for the regulation of nerve growth into the intervertebral disc, but whether disc cells promote nerve growth in vivo remains to be determined.

Étude fonctionnelle de lymphocytes T extrathymiques produits sous l'effet de l'oncostatin M

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Développement des lymphocytes T : mécanismes de différenciation extrathymique

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude fonctionnelle de lymphocytes T extrathymiques produits sous l'effet de l'oncostatin M

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Développement des lymphocytes T : mécanismes de différenciation extrathymique

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Organisation chimioanatomique des afférences pallidales chez le primate

L’élucidation de la position qu’occupent les projections sérotoninergique (5-HT), cholinergique (ACh) et dopaminergique (DA) du tronc cérébral dans l’organisation anatomofonctionelle du globus pallidus externe (GPe) et interne (GPi) au sein des ganglions de la base chez le primate est primordiale à la compréhension de ce système neuronal hautement complexe impliqué dans le contrôle du comportement moteur. Les travaux de recherche consolidés dans la présente thèse rapportent les résultats principalement obtenus chez le singe écureuil (Saimiri sciureus) à l’aide de marquages immunohistochimiques et de quantifications stéréologiques servant à évaluer la distribution régionale et les caractéristiques ultrastructurales des varicosités axonales 5-HT, ACh et DA observées dans le pallidum. Nos données ont permis l’éloboration d’un nouveau modèle du neurone pallidal en tenant compte de la hiérarchie et des caractéristiques neurochimiques de ses entrées synaptiques. Ainsi, l’analyse quantitative en microscopie optique révèle que le GPe et le GPi reçoivent des innervations 5-HT, ACh et DA de densités variables et distribuées de façon hétérogène. Plus particulièrement, le GPe est innervé par 600 000 varicosités 5-HT/mm3 de tissu, 500 000 varicosités ACh/mm3 et 170 000 varicosités DA/mm3. En revanche, le GPi reçoit 600 000 varicosités 5-HT/mm3, 250 000 varicosités ACh/mm3 et 190 000 varicosités DA/mm3. De plus, la 5-HT, l’ACh et la DA ciblent préférentiellement les secteurs correspondant aux territoires fonctionnels associatifs et limbiques du pallidum, suggérant un rôle de ces projections dans la planification du comportement moteur ainsi que dans la régulation de l’attention et de l’humeur. Nos analyses en microscopie électronique révèlent que très peu de ces varicosités axonales établissent un contact synaptique, puisque plus de 70% des varicosités 5-HT, ACh et DA sont complètement dépouvues de jonction synaptique. Ainsi, bien que la 5-HT, l’ACh et la DA seraient en mesure de moduler directement les neurones pallidaux grâce à la transmission synaptique, leur plus grande influence s’opérerait par la transmission volumique, permettant d’influencer à la fois les neurones pallidaux et leurs afférences, principalement du striatum et noyau subthalamique. L’ensemble de ces résultats indique que les projections 5-HT, ACh et DA du tronc cérébral agissent de concert avec les afférences plus robustes en provenance du striatum et du noyau subthalamique. Ces nouvelles données neuroanatomiques positionnent le tronc cérébral en tant qu’acteur important dans l’organisation anatomique et fonctionnelle du pallidum chez le primate et doivent être prises en considération dans l’élaboration de nouvelles approches thérapeutiques visant à contrer les processus neurodégénératifs qui affectent les ganglions de la base, tel que la maladie de Parkinson.

Improving interfaces for nerve repair

Autologous nerve grafts are the current gold standard for the repair of peripheral nerve injuries. However, there is a need to develop an alternative to this technique, as donor-site morbidities such as neuroma formation and permanent loss of function are a few of the limitations concerned with this technique. Artificial nerve conduits have therefore emerged as an alternative for the repair of short peripheral nerve defects of less than 30 mm, however they do not surpass autologous nerve grafts clinically. To develop a nerve conduit that supports regeneration over long nerve gaps and in large diameter nerves, researchers have focused on functionalizing of the conduits by studying the components that enhance nerve regeneration such as micro/nano-topography, growth factor delivery systems, supportive cells and extracellular matrix (ECM) proteins as well as understanding the complex biological reactions that take place during peripheral nerve regeneration. This thesis presents strategies to improve peripheral nerve interfaces to better the regenerative potential by using dorsal root ganglions (DRGs) isolated from neonatal rats as an in vitro model of nerve regeneration. The work started off by investigating the usefulness of a frog foam protein Ranaspumin-2 (Rsn2) to coat biomaterials for compatibility, this lead to the discovery of temporary cell adhesion on polydimethylsiloxane (PDMS), which was investigated as a suitable tool to derive cell-sheets for nerve repair. The influence of Rsn2 anchored to specific adhesion peptide sequences, such as isoleucine-lysine-valine-alanine-valine (IKVAV), a sequence derived from laminin proven to promote cell adhesion and neurite outgrowth, was tested as a useful means to influence nerve regeneration. This approach improves the axonal outgrowth and maintains outgrowth long term. Based on the hypothesis that combinational modulation of substrate topography, stiffness and neurotrophic support, affects axonal outgrowth in whole DRGs, dissociated DRGs were used to assess if these factors similarly act at the single cell level. Rho associated protein kinase (ROCK) and myosin II inhibitors, which affect cytoskeletal contractility, were used to influence growth cone traction forces and have shown that these factors work in combination by interfering with growth cone dynamic creating a different response in axonal outgrowth at the single cell level.

Vaccins à base de plante comme alternatives aux antibiotiques : évaluation du potentiel d'un extrait de tabac contenant rFaeGntd/dsc d’Escherichia coli entérotoxigénique (ETEC) à induire une réponse immunitaire chez le procelet sevré.

La diarrhée post-sevrage causée par Escherichia coli entérotoxigénique présentant le fimbriae F4 (ETEC F4+) cause actuellement des pertes économiques importantes dans l’industrie porcine canadienne. Afin de mieux contrôler cette maladie, et afin d’offrir une alternative à l’utilisation excessive d’antibiotiques, le projet décrit dans ce mémoire évalue la capacité de la sous-unité majeure du fimbriae F4, FaeG, à protéger les porcelets contre ETEC F4+. Trois phases animales ont été réalisées afin de tester séparément et de façon combinée l’effet de FaeG sous forme d’émulsion orale et sous forme d’injection intramusculaire (IM). Les analyses de dosages d’anticorps spécifiques et de proliférations lymphocytaires effectuées sur les échantillons recueillis à chaque phase animale permirent d’évaluer la réponse immunitaire mucosale et systémique. Les résultats finaux obtenus ont démontré un effet des injections IM sur l’activation de la production d’anticorps sanguins ainsi que sur la prolifération de cellules mononucléées sanguines (CMS). L’évaluation de l’expression de différents gènes dans les ganglions mésentériques et dans la muqueuse iléale a permis d’observer une modulation de l’expression de certains gènes (TLR4, NFκBIA, IFNg, CCL20, CXCL2, IL4 et IL17), mais également l’absence de modulation sur plusieurs gènes attendus. Au final, certains effets secondaires observés lors des immunisations de la dernière phase animale, tels que la diarrhée, la difficulté à respirer et la faiblesse, ont nécessité des analyses supplémentaires. Il a ainsi été déterminé que plusieurs porcelets ont subi une réaction de type anaphylactique aux immunisations reçues à la dernière phase animale, bien que la composante exacte causant cette réaction soit inconnue. En conclusion, bien qu’une réponse immunitaire puisse être déclenchée par FaeG, d’autres études seront nécessaires afin de développer un vaccin oral contre ETEC F4+