Phagocytosis of Photoreceptor Outer Segments by Transplanted Human Neural Stem Cells as a Neuroprotective Mechanism in Retinal Degeneration

Purpose. Transplantation of human central nervous system stem cells (HuCNS-SC) into the subretinal space of Royal College of Surgeons (RCS) rats preserves photoreceptors and visual function. To explore possible mechanism(s) of action underlying this neuroprotective effect, we performed a detailed morphologic and ultrastructure analysis of HuCNS-SC transplanted retinas. Methods. The HuCNS-SC were transplanted into the subretinal space of RCS rats. Histologic examination of the transplanted retinas was performed by light and electron microscopy. Areas of the retina adjacent to HuCNS-SC graft (treated regions) were analyzed and compared to control sections obtained from the same retina, but distant from the transplant site (untreated regions). Results. The HuCNS-SC were detected as a layer of STEM 121 immunopositive cells in the subretinal space. In treated regions, preserved photoreceptor nuclei, as well as inner and outer segments were identified readily. In contrast, classic signs of degeneration were observed in the untreated regions. Interestingly, detailed ultrastructure analysis revealed a striking preservation of the photoreceptor–bipolar–horizontal cell synaptic contacts in the outer plexiform layer (OPL) of treated areas, in stark contrast with untreated areas. Finally, the presence of phagosomes and vesicles exhibiting the lamellar structure of outer segments also was detected within the cytosol of HuCNS-SC, indicating that these cells have phagocytic capacity in vivo. Conclusions. This study reveals the novel finding that preservation of specialized synaptic contacts between photoreceptors and second order neurons, as well as phagocytosis of photoreceptor outer segments, are potential mechanism(s) of HuCNS-SC transplantation, mediating functional rescue in retinal degeneration.

Neural Stem Cells and Neurospheres - Re-evaluating the Relationship

For most of the past century, the prospect of replacing lost or damaged cells in the central nervous system (CNS) was hampered by the opinion that the adult mammalian CNS was incapable of generating new nerve cells. This belief, Like most dogmas, was essentially founded on a lack of experimental evidence to the contrary. The overturning of this 'no new neuron' hypothesis began midway through the twentieth century with a series of reports documenting neurogenesis in the postnatal and adult brain(1), continued with the isolation and in vitro culture of neurogenic cells from the adult mammalian brain(2,3), and culminated in the discovery of a population of muttipotent, selfrenewing cells in the adult CNS (that is, bona fide neural stem cells)(3-5). Although a variety of techniques were initially used, the neurosphere assay (NSA)(3,6) rapidly emerged as the assay of choice and has since become a valuable toot for isolating, and understanding the biology of, embryonic and adult CNS stem cells. Like all technologies, it is not without its limitations. In this article we will hightight several shortcomings of the assay related to its application and interpretation that we believe have led to a significant body of research whose conclusions may well be misleading.

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.

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.

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.

Dominant-Negative Effects of Adult-Onset Huntingtin Mutations Alter the Division of Human Embryonic Stem Cells-Derived Neural Cells.

Mutations of the huntingtin protein (HTT) gene underlie both adult-onset and juvenile forms of Huntington's disease (HD). HTT modulates mitotic spindle orientation and cell fate in mouse cortical progenitors from the ventricular zone. Using human embryonic stem cells (hESC) characterized as carrying mutations associated with adult-onset disease during pre-implantation genetic diagnosis, we investigated the influence of human HTT and of an adult-onset HD mutation on mitotic spindle orientation in human neural stem cells (NSCs) derived from hESCs. The RNAi-mediated silencing of both HTT alleles in neural stem cells derived from hESCs disrupted spindle orientation and led to the mislocalization of dynein, the p150Glued subunit of dynactin and the large nuclear mitotic apparatus (NuMA) protein. We also investigated the effect of the adult-onset HD mutation on the role of HTT during spindle orientation in NSCs derived from HD-hESCs. By combining SNP-targeting allele-specific silencing and gain-of-function approaches, we showed that a 46-glutamine expansion in human HTT was sufficient for a dominant-negative effect on spindle orientation and changes in the distribution within the spindle pole and the cell cortex of dynein, p150Glued and NuMA in neural cells. Thus, neural derivatives of disease-specific human pluripotent stem cells constitute a relevant biological resource for exploring the impact of adult-onset HD mutations of the HTT gene on the division of neural progenitors, with potential applications in HD drug discovery targeting HTT-dynein-p150Glued complex interactions.

Highly efficient neural differentiation of human somatic stem cells, isolated by minimally invasive periodontal surgery

Neural stem cells (NSCs) are potential sources for cell therapy of neurodegenerative diseases and for drug screening. Despite their potential benefits, ethical and practical considerations limit the application of NSCs derived from human embryonic stem cells (ES) or adult brain tissue. Thus, alternative sources are required to satisfy the criteria of ready accessibility, rapid expansion in chemically defined media and reliable induction to a neuronal fate. We isolated somatic stem cells from the human periodontium that were collected during minimally invasive periodontal access flap surgery as part of guided tissue regeneration therapy. These cells could be propagated as neurospheres in serum-free medium, which underscores their cranial neural crest cell origin. Culture in the presence of epidermal growth factor (EGF) and fibroblast growth factor-2 (FGF-2) under serum-free conditions resulted in large numbers of nestin-positive/Sox-2-positive NSCs. These periodontium-derived (pd) NSCs are highly proliferative and migrate in response to chemokines that have been described as inducing NSC migration. We used immunocytochemical techniques and RT-PCR analysis to assess neural differentiation after treatment of the expanded cells with a novel induction medium. Adherence to substrate, growth factor deprivation, and retinoic acid treatment led to the acquisition of neuronal morphology and stable expression of markers of neuronal differentiation by more than 90% of the cells. Thus, our novel method might provide nearly limitless numbers of neuronal precursors from a readily accessible autologous adult human source, which could be used as a platform for further experimental studies and has potential therapeutic implications.

LIF promotes neurogenesis and maintains neural precursors in cell populations derived from spiral ganglion stem cells

BACKGROUND: Stem cells with the ability to form clonal floating colonies (spheres) were recently isolated from the neonatal murine spiral ganglion. To further examine the features of inner ear-derived neural stem cells and their derivatives, we investigated the effects of leukemia inhibitory factor (LIF), a neurokine that has been shown to promote self-renewal of other neural stem cells and to affect neural and glial cell differentiation. RESULTS: LIF-treatment led to a dose-dependent increase of the number of neurons and glial cells in cultures of sphere-derived cells. Based on the detection of developmental and progenitor cell markers that are maintained in LIF-treated cultures and the increase of cycling nestin-positive progenitors, we propose that LIF maintains a pool of neural progenitor cells. We further provide evidence that LIF increases the number of nestin-positive progenitor cells directly in a cell cycle-independent fashion, which we interpret as an acceleration of neurogenesis in sphere-derived progenitors. This effect is further enhanced by an anti-apoptotic action of LIF. Finally, LIF and the neurotrophins BDNF and NT3 additively promote survival of stem cell-derived neurons. CONCLUSION: Our results implicate LIF as a powerful tool to control neural differentiation and maintenance of stem cell-derived murine spiral ganglion neuron precursors. This finding could be relevant in cell replacement studies with animal models featuring spiral ganglion neuron degeneration. The additive effect of the combination of LIF and BDNF/NT3 on stem cell-derived neuronal survival is similar to their effect on primary spiral ganglion neurons, which puts forward spiral ganglion-derived neurospheres as an in vitro model system to study aspects of auditory neuron development.

Limited Ca(2+) and PKA-pathway dependent neurogenic differentiation of human adult mesenchymal stem cells as compared to fetal neuronal stem cells

The ability of mesenchymal stem cells to generate functional neurons in culture is still a matter of controversy. In order to assess this issue, we performed a functional comparison between neuronal differentiation of human MSCs and fetal-derived neural stem cells (NSCs) based on morphological, immunocytochemical, and electrophysiological criteria. Furthermore, possible biochemical mechanisms involved in this process were presented. NF200 immunostaining was used to quantify the yield of differentiated cells after exposure to CAMP. The addition of a PKA inhibitor and Ca(2+) blockers to the differentiation medium significantly reduced the yield of differentiated cells. Activation of CREB was also observed on MSCs during maturation. Na(+)-, K(+)-, and Ca(2+)-voltage-dependent currents were recorded from MSCs-derived cells. In contrast, significantly larger Na(+) currents, firing activity, and spontaneous synaptic currents were recorded from NSCs. Our results indicate that the initial neuronal differentiation of MSCs is induced by CAMP and seems to be dependent upon Ca(2+) and the PKA pathway. However, compared to fetal neural stem cells, adult mesenchymal counterparts are limited in their neurogenic potential. Despite the similar yield of neuronal cells, NSCs achieved a more mature functional state. Description of the underlying mechanisms that govern MSCs` differentiation toward a stable neuronal phenotype and their limitations provides a unique opportunity to enhance our understanding of stem cell plasticity. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Cues for cancer stem cells origin

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina