Gene Expression Profile of Mesenchymal Stem Cells from Paired Umbilical Cord Units: Cord is Different from Blood

Mesenchymal stem cells (MSC) are multipotent cells which can be obtained from several adult and fetal tissues including human umbilical cord units. We have recently shown that umbilical cord tissue (UC) is richer in MSC than umbilical cord blood (UCB) but their origin and characteristics in blood as compared to the cord remains unknown. Here we compared, for the first time, the exonic protein-coding and intronic noncoding RNA (ncRNA) expression profiles of MSC from match-paired UC and UCB samples, harvested from the same donors, processed simultaneously and under the same culture conditions. The patterns of intronic ncRNA expression in MSC from UC and UCB paired units were highly similar, indicative of their common donor origin. The respective exonic protein-coding transcript expression profiles, however, were significantly different. Hierarchical clustering based on protein-coding expression similarities grouped MSC according to their tissue location rather than original donor. Genes related to systems development, osteogenesis and immune system were expressed at higher levels in UCB, whereas genes related to cell adhesion, morphogenesis, secretion, angiogenesis and neurogenesis were more expressed in UC cells. These molecular differences verified in tissue-specific MSC gene expression may reflect functional activities influenced by distinct niches and should be considered when developing clinical protocols involving MSC from different sources. In addition, these findings reinforce our previous suggestion on the importance of banking the whole umbilical cord unit for research or future therapeutic use.

Development and validation of a rapid, aldehyde dehydrogenase bright-based cord blood potency assay.

Banked, unrelated umbilical cord blood provides access to hematopoietic stem cell transplantation for patients lacking matched bone marrow donors, yet 10% to 15% of patients experience graft failure or delayed engraftment. This may be due, at least in part, to inadequate potency of the selected cord blood unit (CBU). CBU potency is typically assessed before cryopreservation, neglecting changes in potency occurring during freezing and thawing. Colony-forming units (CFUs) have been previously shown to predict CBU potency, defined as the ability to engraft in patients by day 42 posttransplant. However, the CFU assay is difficult to standardize and requires 2 weeks to perform. Consequently, we developed a rapid multiparameter flow cytometric CBU potency assay that enumerates cells expressing high levels of the enzyme aldehyde dehydrogenase (ALDH bright [ALDH(br)]), along with viable CD45(+) or CD34(+) cell content. These measurements are made on a segment that was attached to a cryopreserved CBU. We validated the assay with prespecified criteria testing accuracy, specificity, repeatability, intermediate precision, and linearity. We then prospectively examined the correlations among ALDH(br), CD34(+), and CFU content of 3908 segments over a 5-year period. ALDH(br) (r = 0.78; 95% confidence interval [CI], 0.76-0.79), but not CD34(+) (r = 0.25; 95% CI, 0.22-0.28), was strongly correlated with CFU content as well as ALDH(br) content of the CBU. These results suggest that the ALDH(br) segment assay (based on unit characteristics measured before release) is a reliable assessment of potency that allows rapid selection and release of CBUs from the cord blood bank to the transplant center for transplantation.

Fructose in fetal cord blood and its relationship with maternal and 48-hour-newborn blood concentrations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cord blood cytokine levels in focal early-onset neonatal infection after preterm premature rupture of membranes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Initial cord blood unit volume affects mononuclear cell and CD34+ cell-processing efficiency in a non-linear fashion

Umbilical cord blood (UCB) is a source of hematopoietic stem cells that initially was used exclusively for the hematopoietic reconstitution of pediatric patients. It is now suggested for use for adults as well, a fact that increases the pressure to obtain units with high cellularity. Therefore, the optimization of UCB processing is a priority.

A proteome signature for intrauterine growth restriction derived from multifactorial analysis of mass spectrometry-based cord blood serum profiling

Intrauterine growth restriction (IUGR) is defined as a condition in which the fetus does not reach its genetically given growth potential, resulting in low birth weight. IUGR is an important cause of perinatal morbidity and mortality, thus contributing substantially to medically indicated preterm birth in order to prevent fetal death. We subjected umbilical cord blood serum samples either belonging to the IUGR group (n = 15) or to the control group (n = 15) to fractionation by affinity chromatography using a bead system with hydrophobic interaction capabilities. So prepared protein mixtures were analyzed by MALDI-TOF mass spectrometric profiling. The six best differentiating ion signals at m/z 8205, m/z 8766, m/z 13 945, m/z 15 129, m/z 15 308, and m/z 16 001 were collectively assigned as IUGR proteome signature. Separation confidence of our IUGR proteome signature reached a sensitivity of 0.87 and a specificity of 0.93. Assignment of ion signals in the mass spectra to specific proteins was substantiated by SDS-PAGE in conjunction with peptide mass fingerprint analysis of cord blood serum proteins. One constituent of this proteome signature, apolipoprotein C-III(0) , a derivative lacking glycosylation, has been found more abundant in the IUGR cord blood serum samples, irrespective of gestational age. Hence, we suggest apolipoprotein C-III(0) as potential key-marker of the here proposed IUGR proteome signature, as it is a very low-density lipoprotein (VLDL) and high-density lipoprotein (HDL) member and as such involved in triglyceride metabolism that itself is discussed as being of importance in IUGR pathogenesis. Our results indicate that subtle alterations in protein glycosylation need to be considered for improving our understanding of the pathomechanisms in IUGR.

Alloantigen-induced unresponsiveness in cord blood T lymphocytes is associated with defective activation of Ras

Human umbilical cord blood T lymphocytes (CBTL) respond to primary allostimulation but they do not proliferate upon rechallenge with alloantigen. Using PKH-26-labeled cells created a proliferative block that was observed only in CBTL that have divided during primary stimulation (PKH-26dim) but not in unstimulated (PKH-26bright) CBTL. CBTL’s secondary unresponsiveness resembles anergy and can be overcome by treatment with phorbol myristate acetate (PMA) and ionomycin or by high doses (50–100 units/ml) of interleukin 2. Addition of interleukin 2 to the primary cultures does not prevent the induction of secondary unresponsiveness. Defective Ras activation is detected in PKH-26dim CBTL during secondary response to alloantigen or after antibody-mediated T cell receptor stimulation whereas Ras is activated and proliferation is induced in CBTL during primary alloantigenic stimulation. Upon stimulation with PMA plus ionomycin, PMA plus alloantigen, but not alloantigen plus ionomycin, Ras is activated in PKH-26dim CBTL, and the block in proliferation is overcome. Correction of PKH-26dim CBTL’s proliferative defect correlates with PMA-induced Ras activation, suggesting a defect in the signaling pathway leading to Ras. Ras-independent signals, necessary but not sufficient to induce PKH-26dim CBTL proliferation, are provided by alloantigen exposure, as evident by the ability of PMA plus alloantigen but not PMA alone to overcome the proliferative block. Functional signal transduction through CD28 in PKH-26dim CBTL is supported by detectable CD28-mediated PI-3 kinase activation after PKH-26dim CBTL’s exposure to alloantigen or CD28 cross-linking. These results suggest that defective activation of Ras plays a key role in PKH-26dim CBTL’s secondary unresponsiveness and point to a defect along the T cell receptor rather than the CD28 signaling pathway.

Étude de la reconstitution de l’immunité spécifique au cytomégalovirus et au virus de la varicelle suite à la transplantation de sang de cordon ombilical

La transplantation de sang de cordon ombilical (TSCO) constitue un traitement de choix pour une multitude de pathologies hématologiques malignes et non malignes chez l’enfant et dans certains cas l’adulte. La TSCO est associée à certaines complications, dont une reconstitution immunitaire plus lente et une incidence élevée d’infections opportunistes, notamment celles reliées au cytomégalovirus (CMV) et au virus varicella-zoster (VZV). Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés dans un premier temps à la caractérisation de la reconstitution immunitaire spécifique au CMV et au VZV. Nos résultats ont démontré que la reconstitution de l’immunité cellulaire ne requiert ni un statut séropositif pré-transplantation ni le développement de la maladie. De plus, des reconstitutions spontanées ont été détectées chez certains patients séronégatifs vis-à-vis du CMV ou du VZV. Outre le fait qu’elle se manifeste surtout à partir de 6 mois post-transplantation, ladite reconstitution mérite le qualificatif de « protectrice » en termes de réactivations virales et du développement de signes cliniques lorsqu’une fréquence de 150 cellules produisant l’IFN-γ/million est dépassée. Toutefois, moins de 5% des patients développent une réponse T anti-VZV et anti-CMV au cours 100 premiers jours suivant la TSCO. Il est donc possible que les lymphocytes CD8+ T provenant du SCO, comparativement à leurs homologues provenant de la moelle osseuse (MO), présentent un défaut de fonctionnalité, communément appelé « épuisement clonal ». La caractérisation du répertoire de récepteurs inhibiteurs exprimés par les cellules T CD8+ suivant la TSCO ou la transplantation de moelle osseuse (TMO) a révélé une augmentation significative de la fréquence des cellules exprimant PD-1 tôt suivant la transplantation. Cette population, caractérisée majoritairement par un phénotype effecteur-mémoire (EM), démontre une perte significative de la capacité proliférative et exprime moins d'IFN-γ, d'IL-2, de TNF-α et de CD107a. Une meilleure caractérisation de la reconstitution immunitaire après TSCO permettrait, d'une part de sélectionner des biomarqueurs en vue d’une meilleure gestion des patients à risques de développer des infections virales et/ou de rechuter, et d'autre part d'améliorer leur pronostic.

Étude de la reconstitution de l’immunité spécifique au cytomégalovirus et au virus de la varicelle suite à la transplantation de sang de cordon ombilical

La transplantation de sang de cordon ombilical (TSCO) constitue un traitement de choix pour une multitude de pathologies hématologiques malignes et non malignes chez l’enfant et dans certains cas l’adulte. La TSCO est associée à certaines complications, dont une reconstitution immunitaire plus lente et une incidence élevée d’infections opportunistes, notamment celles reliées au cytomégalovirus (CMV) et au virus varicella-zoster (VZV). Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés dans un premier temps à la caractérisation de la reconstitution immunitaire spécifique au CMV et au VZV. Nos résultats ont démontré que la reconstitution de l’immunité cellulaire ne requiert ni un statut séropositif pré-transplantation ni le développement de la maladie. De plus, des reconstitutions spontanées ont été détectées chez certains patients séronégatifs vis-à-vis du CMV ou du VZV. Outre le fait qu’elle se manifeste surtout à partir de 6 mois post-transplantation, ladite reconstitution mérite le qualificatif de « protectrice » en termes de réactivations virales et du développement de signes cliniques lorsqu’une fréquence de 150 cellules produisant l’IFN-γ/million est dépassée. Toutefois, moins de 5% des patients développent une réponse T anti-VZV et anti-CMV au cours 100 premiers jours suivant la TSCO. Il est donc possible que les lymphocytes CD8+ T provenant du SCO, comparativement à leurs homologues provenant de la moelle osseuse (MO), présentent un défaut de fonctionnalité, communément appelé « épuisement clonal ». La caractérisation du répertoire de récepteurs inhibiteurs exprimés par les cellules T CD8+ suivant la TSCO ou la transplantation de moelle osseuse (TMO) a révélé une augmentation significative de la fréquence des cellules exprimant PD-1 tôt suivant la transplantation. Cette population, caractérisée majoritairement par un phénotype effecteur-mémoire (EM), démontre une perte significative de la capacité proliférative et exprime moins d'IFN-γ, d'IL-2, de TNF-α et de CD107a. Une meilleure caractérisation de la reconstitution immunitaire après TSCO permettrait, d'une part de sélectionner des biomarqueurs en vue d’une meilleure gestion des patients à risques de développer des infections virales et/ou de rechuter, et d'autre part d'améliorer leur pronostic.

Les cellules dendritiques plasmacytoides dans le sang de cordon et après greffe de sang de cordon

La greffe de sang de cordon est de plus en plus utilisée et a permis de traiter avec succès chez l’enfant des déficits immunitaires ainsi que des hémopathies malignes comme les leucémies. Malgré d’importants avantages tels que l’absence de risque pour le donneur ou la plus faible incidence de maladie du greffon contre l’hôte (GvHD), utiliser le sang de cordon comporte certains inconvénients. En effet, une reconstitution immunitaire retardée, des infections opportunistes en plus grand nombre et un risque de rechute sont des complications qui peuvent survenir et engendrer un risque pour le pronostic vital du patient. Par conséquent, de nouvelles stratégies d’immunothérapies doivent être envisagées. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes particulièrement intéressés aux cellules dendritiques plasmacytoides (pDC) dont les fonctions sont importantes pour l’initiation des réponses immunitaires innée et adaptative et particulièrement pour leur capacité à activer les cellules NK. Afin d’élucider le rôle et l’impact de ces cellules dans les greffes de sang de cordon, le nombre et la fonction des pDC et des NK a été suivi longitudinalement chez des patients ayant subi une greffe de sang de cordon comparativement à des patients transplantés avec de la moelle osseuse. Nous avons ainsi démontré que les pDC et les NK apparaissent précocement suite à une greffe de sang de cordon et que ces cellules sont fonctionnelles. Ces résultats mettent donc en lumière que ces cellules pourraient être de bons outils pour l’établissement d’une immunothérapie après greffe de sang de cordon. De plus, la caractérisation fonctionnelle des pDC du greffon de sang de cordon a permis de révéler une plus faible production d’IFN-α par les pDC, comparativement aux pDC de sang d’adulte. Cette différence pourrait jouer un rôle dans la plus faible incidence de GvHD après les greffes de sang de cordon. Dans le but de préciser les mécanismes moléculaires de régulation négative de la production d’IFN-α par les pDC de sang de cordon, nous avons étudié les protéines de la voie de signalisation TLR9-IRF7. L’expression similaire de l’ARN du TLR9, MyD88, IRAK1 et IRF7 contraste avec la plus faible expression des protéines correspondantes. De plus, l’expression des MicroARNs miR-146a et miR-155 est plus élevé dans les pDC de sang de cordon comparativement aux pDC de sang d’adultes. Ensemble, ces données pointent une régulation négative post-transcriptionnelle de la voie TLR9-IRF7 qui pourrait expliquer la plus faible production d’IFN-α des pDC du sang de cordon. L’ensemble des ces travaux suggère que les pDC pourraient représenter une cible de choix dans le développement de nouvelles approches thérapeutiques dans les greffes de sang de cordon.

Étude du rôle des lymphocytes T chez les receveurs pédiatriques de greffe de sang de cordon ombilical

La transplantation de sang de cordon ombilical (TSCO) est utilisée pour traiter les enfants atteints de maladies hématologiques en l’absence de donneurs apparentés compatibles. Elle est associée avec des risques plus élevés d’échec de greffe et d’infections opportunistes dans les premiers mois qui suivent la transplantation en comparaison avec une greffe de moelle osseuse. Par contre, la TSCO comporte un risque plus faible de maladie du greffon contre l’hôte et une incidence comparable de rechute de leucémie. Ces quatre complications impliquent directement les lymphocytes T. Dans le but de mieux comprendre le schéma particulier des évènements qui suivent la TSCO et d’améliorer le pronostic des patients, nous avons étudié le potentiel fonctionnel, la persistance et la reconstitution antivirale des lymphocytes T au sein d’un groupe d’enfants transplantés de sang de cordon ombilical (SCO). Étant donné que le SCO contient une majorité de lymphocytes T naïfs, nous avons étudié les lymphocytes T spécifiques au HLA-A2:Melan-A26-35 A27L; seul répertoire naïf et abondant caractérisé chez l’homme. Nous avons observé que les lymphocytes T du SCO se différencient en populations effectrices, s’oligoclonalisent, produisent de l’IFN-γ et lysent spécifiquement leur cible suite à la stimulation. Néanmoins, ces cellules produisent moins d’IFN-γ et sont moins bifonctionnelles que leurs homologues issus du sang périphérique d’adultes. Chez les patients, les lymphocytes T du SCO s’épuisent après la TSCO : ils s’oligoclonalisent dramatiquement, sont principalement en différenciation terminale, et une importante fréquence exprime PD-1 (« programmed death-1 ») dans les 3 à 6 premiers mois post-greffe. Très peu de patients sont capables de développer des réponses antivirales durant cette période et la fréquence de lymphocytes T qui expriment PD-1 semble aussi avoir un impact sur le risque subséquent de faire une rechute de leucémie. La deuxième vague de lymphocytes T émergeant à 6 mois post-TSCO mène à une population fonctionnelle et diversifiée. En conclusion, la fonctionnalité des lymphocytes T présents dans les 3 à 6 premiers mois post-TSCO doit être rétablie pour améliorer les risques d’infections opportunistes et de rechute de leucémie.

Mesenchymal Stem Cells Derived From Canine Umbilical Cord Vein-A Novel Source for Cell Therapy Studies

The canine model provides a large animal system to evaluate many treatment modalities using stem cells (SCs). However, only bone marrow ( BM) protocols have been widely used in dogs for preclinical approaches. BM donation consists of an invasive procedure and the number and differentiation potential of its mesenchymal stem cells (MSCs) decline with age. More recently, umbilical cord was introduced as an alternative source to BM since it is obtained from a sample that is routinely discarded. Here, we describe the isolation of MSCs from canine umbilical cord vein (cUCV). These cells can be obtained from every cord received and grow successfully in culture. Their multipotent plasticity was demonstrated by their capacity to differentiate in adipocytic, chondrocytic, and osteocytic lineages. Furthermore, our results open possibilities to use cUCV cells in preclinical trials for many well-characterized canine model conditions homologs to human diseases.

Cryopreservation of umbilical cord mesenchymal cells in xenofree conditions

Background aims. Mesenchymal stromal cells (MSC) are being used to treat and prevent a variety of clinical conditions. To be readily available, MSC must be cryopreserved until infusion. However, the optimal cryopreservation methods, cryoprotector solutions and MSC sensitivity to dimethyl sulfoxide (DMSO) exposure are unknown. This study investigated these issues. Methods. MSC samples were obtained from human umbilical cord (n = 15), expanded with Minimal Essential Medium-alpha (alpha-MEM) 10% human serum (HS), resuspended in 25 mL solution (HS, 10% DMSO, 20% hydroxyethyl starch) and cryopreserved using the BioArchive (R) system. After a mean of 18 +/- 7 days, cell suspensions were thawed and diluted until a DMSO concentration of 2.5% was reached. Samples were tested for cell quantification and viability, immunophenotype and functional assays. Results. Post-thaw cell recovery: 114 +/- 2.90% (mean +/- SEM). Recovery of viable cells: 93.46 +/- 4.41%, 90.17 +/- 4.55% and 81.03 +/- 4.30% at 30 min, 120 min and 24 h post-thaw, respectively. Cell viability: 89.26 +/- 1.56%, 72.71 +/- 2.12%, 70.20 +/- 2.39% and 63.02 +/- 2.33% (P<0.0001) pre-cryopreservation and 30 min, 120 min and 24 h post-thaw, respectively. All post-thaw samples had cells that adhered to culture bottles. Post-thaw cell expansion was 4.18 +/- 0.17 X, with a doubling time of 38 +/- 1.69 h, and their capacity to inhibit peripheral blood mononuclear cells (PBMC) proliferation was similar to that observed before cryopreservation. Differentiation capacity, cell-surface marker profile and cytogenetics were not changed by the cryopreservation procedure. Conclusions. A method for cryopreservation of MSC in bags, in xenofree conditions, is described that facilitates their clinical use. The MSC functional and cytogenetic status and morphologic characteristics were not changed by cryopreservation. It was also demonstrated that MSC are relatively resistant to exposure to DMSO, but we recommend cell infusion as soon as possible.

Short Term Outcome of Neonates Born With Abnormal Umbilical Cord Arterial Blood Gases

Background: Umbilical arterial blood gas (UABG) analysis is more objective than other methods for predicting neonatal outcome. Acidemic neonates may be at risk for unfavorable outcome after birth, but all neonates with abnormal arterial blood gas (ABG) analysis do not always have poor outcome. Objectives: This study was carried out to determine the short term outcome of the neonates born with an abnormal ABG. Patients and Methods: In a cohort prospective study 120 high risk mother-neonate pairs were enrolled and UABG was taken immediately after birth. All neonates with an umbilical cord pH less than 7.2 were considered as case group and more than 7.2 as controls. Outcomes like need to resuscitation, admission to newborn services and/or NICU), seizure occurrence, hypoxic ischemic encephalopathy (HIE), delayed initiation of oral feeding and length of hospital stay were recorded and compared between the two groups. P value less than 0.05 was considered as being significant. Results: Comparison of short term outcomes between normal and abnormal ABG groups were as the fallowing: need for advanced resuscitation 4 vs. 0 (P = 0.001), NICU admission 16 vs. 4 (P = 0.001), convulsion 2 vs. 0 (P = 0.496), HIE 17 vs. 4 (P = 0.002), delay to start oral feeding 16 vs. 4 (P = 0.001), mean hospital stay 4 vs. 3 days (P = 0.001). None of the neonates died in study groups. Conclusions: An umbilical cord PH less than 7.2 immediately after birth can be used as a prognostic factor for unfavorable short term outcome in newborns.

Preclinical Studies with Umbilical Cord Mesenchymal Stromal Cells in Different Animal Models for Muscular Dystrophy

Umbilical cord mesenchymal stromal cells (MSC) have been widely investigated for cell-based therapy studies as an alternative source to bone marrow transplantation. Umbilical cord tissue is a rich source of MSCs with potential to derivate at least muscle, cartilage, fat, and bone cells in vitro. The possibility to replace the defective muscle cells using cell therapy is a promising approach for the treatment of progressive muscular dystrophies (PMDs), independently of the specific gene mutation. Therefore, preclinical studies in different models of muscular dystrophies are of utmost importance. The main objective of the present study is to evaluate if umbilical cord MSCs have the potential to reach and differentiate into muscle cells in vivo in two animal models of PMDs. In order to address this question we injected (1) human umbilical cord tissue (hUCT) MSCs into the caudal vein of SJL mice; (2) hUCT and canine umbilical cord vein (cUCV) MSCs intra-arterially in GRMD dogs. Our results here reported support the safety of the procedure and indicate that the injected cells could engraft in the host muscle in both animal models but could not differentiate into muscle cells. These observations may provide important information aiming future therapy for muscular dystrophies.