Impact de HOXB4 sur les cellules B

La greffe de cellules souches hématopoïétiques autologue est une thérapie de plus en plus utilisée. Cependant, les traitements de chimiothérapie ou de radiothérapie intensifs peuvent affecter les cellules souches et diminuer le nombre de ces cellules pouvant être mobilisées à des fins de transplantation. Il serait donc très utile de pouvoir expandre ces cellules souches afin de s’assurer qu’elles soient en quantité suffisante pour procéder à la greffe. Or, il a été démontré que la protéine HOXB4 a la capacité d’expandre les cellules souches hématopoïétiques humaines et murines. Lors d’une greffe autologue, la moelle osseuse est cependant colonisée par des cellules malignes. Notre objectif était donc de s’assurer que la protéine HOXB4 expand les cellules souches hématopoïétiques normales mais n’expand pas les cellules « souches » leucémiques. De plus, comme des expériences précédentes ont démontré que chez des souris transplantées avec des cellules souches surexprimant HOXB4, la reconstitution du système hématopoïétique pouvait favoriser les cellules myéloïdes aux dépends des cellules lymphoïdes, nous avons aussi voulu déterminer l’impact de HOXB4 sur la différenciation des cellules progénitrices lymphoïdes normales. Pour ce faire, nous avons exposé des cellules humaines et murines à la protéine HOXB4 afin de comparer la prolifération des cellules B malignes à celle des cellules B normales. De plus, nous avons évalué l’impact de HOXB4 sur les cellules B à leurs différents stades de différenciation. Nos résultats démontrent que HOXB4 ne favorise pas l’expansion des cellules leucémiques. De plus, nous avons observé que les cellules lymphoïdes surexprimant la protéine HOXB4 ont un ralentissement dans leur processus de différenciation. Aussi, la surexpression de HOXB4 entraîne une diminution de la fréquence et du nombre de progéniteurs lymphoïdes normaux. Ces résultats démontrent donc que la protéine HOXB4 ne produit pas d’expansion des cellules malignes. De plus, elle confère un désavantage prolifératif aux cellules lymphoïdes.

Mécanisme d’action du PBI-1402 impliqué dans l’expansion des progéniteurs érythroïdes humains et murins

Une des complications importantes d’un traitement intensif de chimio/radio-thérapie est l’aplasie de la moelle osseuse qui peut persister longtemps même après une greffe de cellules souches. Le PBI-1402 est un petit lipide qui a été associé à la diminution de l’apoptose des neutrophiles induite par des agents cytotoxiques. Nos travaux ont démontré que la culture in vitro de progéniteurs hématopoiétiques humains en présence de PBI-1402 induit une augmentation significative du nombre de progéniteurs érythroides (PEryth) (p<0,05). En évaluant la sensibilité des PEryth à l’érythropoietine (Epo), nous avons démontré que le PBI-1402 n’a pas d’effet sensibilisateur et que les cellules répondent de façon similaire aux cellules contrôles. De plus, la combinaison de l’Epo et du « stem cell factor » avec le PBI-1402 permet de prolonger et d’augmenter l’activation d’ERK1/2 (p<0,05), un important signal mitogène. Cet effet est associé à une inhibition de l’activation de la phosphatase MKP-1 dans les cellules exposées au PBI-1402. Nous démontrons aussi la capacité du PBI-1402 à amplifier la prolifération des PEryth et sa capacité à réduire la durée et l’intensité de l’anémie dans un modèle in vivo murin. Des souris ayant reçu une dose létale d’irradiation et subi une transplantation syngénique de moelle osseuse, ont été traitées oralement avec le PBI-1402 pendant 14 jours. Ces souris démontrent une réduction significative de l’anémie post-transplantation versus les souris contrôle (p<0,05). De plus, la moelle osseuse des souris traitées au PBI-1402 présente un nombre de BFU-E et CFU-E plus élevé comparativement au contrôle. Ces résultats démontrent donc le potentiel du PBI-1402 à réduire l’anémie post-transplantation et accélérer la reconstitution érythroïde.

The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

Rôle des gènes HOX du paralogue 4 dans l'autorenouvellement des cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques

La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) est un traitement couramment utilisé pour traiter plusieurs types de maladies hématologiques telles que les leucémies. Par contre, une limite importante de ce type de traitement est la quantité restreinte de CSH disponibles pour la transplantation. Il importe donc de trouver des moyens pour expandre efficacement ces cellules ex vivo tout en préservant leurs propriétés. Le gène HOXB4 est présentement un candidat très prometteur pour atteindre cet objectif. Il a en effet été montré que HOXB4 est capable d’expandre les CSH in vivo et in vitro sans mener au développement de leucémie. Le gène HOXC4, qui appartient au même paralogue est aussi en mesure d’expandre les cellules hématopoïétiques primitives suggérant un rôle commun pour les gènes HOX du paralogue 4 dans l’autorenouvellement des CSH. Le gène HOXA4 est dix fois plus exprimé que le gène HOXB4 dans des CSH du foie fœtal au moment de leur principale expansion. De plus, les CSH mutantes pour Hoxa4, contrairement aux CSH mutantes pour Hoxb4, sont incapables de reconstituer un receveur irradié lorsqu’elles sont transplantées en condition de compétition. HOXA4 pourrait donc jouer un rôle plus important que les autres gènes du paralogue 4 pour l’expansion des CSH au niveau physiologique. Nous avons donc posé l’hypothèse que HOXA4 est capable d’expandre des CSH de façon plus importante que HOXB4. Les résultats obtenues dans le cadre de ce projet de recherche ont montré que la surexpression de HOXA4 était capable d’expandre les CSH et les progéniteurs hématopoïétiques primitifs dans le même ordre que ce qui est connu pour HOXB4. Des cultures et des essais de transplantation en situation de compétition ont confirmé la capacité égale des CSH surexprimant HOXA4 et HOXB4 de proliférer et de reconstituer les receveurs irradiés à long terme. Par contre, nous avons observé une meilleure reconstitution périphérique à court terme par les CSH HOXA4+ par rapport aux CSH HOXB4+, associée à une meilleure reconstitution lymphoïde. Nous avons aussi comparé les niveaux d’expression de gènes cibles potentiels dans des CSH surexprimant HOXA4 ou HOXB4 et observer que plusieurs gènes importants pour la fonction des CSH était régulé positivement suite à leur surexpression, notamment plusieurs gènes impliqués dans les voies de signalisation Notch et Wnt, tels que des récepteurs et ligands. Les gènes HOX du paralogue 4 pourraient donc réguler la communication entre les CSH et leur microenvironnement via ces voies de signalisation majeures et ainsi réguler leur autorenouvellement. La modulation de différents gènes codant pour des facteurs de transcription et des molécules impliquées dans la pluripotence suggère également que HOXA4 et HOXB4 utilisent des mécanismes intrinsèques et extrinsèques pour réguler leur potentiel d’autorenouvellement. Ces connaissances pourront ainsi être utilisées pour optimiser les protocoles d’expansion ex vivo des CSH dans un but thérapeutique.

Expansion des mégacaryocytes par HoxB4 pour accélérer la reconstitution plaquettaire

La greffe de cellules souches hématopoïétiques est parfois le seul traitement efficace contre les cancers hématologiques ainsi que plusieurs autres désordres reliés au système hématopoïétique. La greffe autologue est souvent le traitement de choix pour les patients atteints de lymphome ou de myélome. Dans ce cas, les cellules souches hématopoïétiques (CSH) du patient sont récoltées et congelées. Le patient subit ensuite des traitements de chimiothérapie et/ou radiothérapie qui éliminent les cellules malignes, mais détruisent aussi son système hématopoïétique. Ce dernier sera ensuite reconstitué par la greffe de CSH. Ces traitements ont pour conséquence de plonger le patient en état d’aplasie pour une période variant de 2 à 4 semaines. La thrombocytopénie (faible taux de plaquettes) est une complication majeure nécessitant des transfusions plaquettaires répétées et associée à une augmentation de la mortalité hémorragique post-transplantation. Il serait particulièrement intéressant de développer une thérapie accélérant la reconstitution des mégacaryocytes (MK), ce qui aurait pour effet de raccourcir la période de thrombopénie et donc de diminuer les besoins transfusionnels en plaquettes et potentiellement augmenter la survie. HOXB4 est un facteur de transcription qui a déjà démontré sa capacité à expandre les CSH et les progéniteurs multipotents (CFU-GEMM) donnant naissance aux MK. Il est donc un bon candidat pour l’expansion des progéniteurs MK. Comme la protéine HoxB4 a par contre une courte demi-vie (~1.1h), des protéines HoxB4 de deuxième génération avec une plus grande stabilité intracellulaire ont été créées (1423 (HoxB4L7A), 1426 (HoxB4Y23A) et 1427 (HoxB4Y28A)). Nous avons donc étudié la capacité d’HoxB4 sauvage et de deuxième génération à expandre les CSH, ainsi que les MK donnant naissance aux plaquettes. La surexpression rétrovirale de ces protéines HoxB4Y23A et HoxB4Y28A conduit à une expansion des progéniteurs MK murins in vitro supérieure à HoxB4-wt, 1423 et au contrôle GFP. La reconstitution plaquettaire in vivo dans un modèle murin a ensuite été évaluée par des transplantations primaires et secondaires. Les résultats révèlent que la surexpression rétrovirale des différents HoxB4 n’apporte pas de bénéfice significatif à la reconstitution plaquettaire des souris. Lorsque cultivées dans un milieu favorisant la différenciation mégacaryocytaire, le traitement de cellules CD34+ dérivées du sang de cordon ombilical avec les protéines recombinantes TATHoxB4WT ou de seconde génération n’a pas augmenté la production plaquettaire. Par contre, de manière intéressante, les cellules CD34+ provenant de sang mobilisé de patients atteints de myélome et mises en culture dans un milieu favorisant l’expansion des CSH ont montré des différences significatives dans la différenciation des progéniteurs MK en présence de la protéine recombinante TATHoxB4. La protéine HOXB4 possède donc un avenir prometteur quant à une amélioration de l’état thrombocytopénique chez les patients.

Técnica in útero vs ex útero para recolección de sangre de cordón umbilical como fuente de células madres

La técnica de recolección es el primer paso para obtener una muestra de sangre de cordón umbilical de óptima calidad. Dicho proceso es esencial en los eventos que conducen al éxito del trasplante de células madre. Aunque no existe consenso internacional sobre el procedimiento de recolección, dos técnicas son las principales: la técnica in utero y la técnica ex utero. La técnica in utero aporta ventajas en cuanto al volumen sanguíneo y conteo celular. El parto por cesárea, si se realiza por razones obstétricas es benéfico para la recolección con técnica in utero. Es necesaria la realización de estudios que permitan mayor nivel de evidencia.

The origin, molecular regulation and therapeutic potential of myogenic stem cell populations

Satellite cells, originating in the embryonic dermamyotome, reside beneath the myofibre of mature adult skeletal muscle and constitute the tissue-specific stem cell population. Recent advances following the identification of markers for these cells (including Pax7, Myf5, c-Met and CD34) (CD, cluster of differentiation; c-Met, mesenchymal epithelial transition factor) have led to a greater understanding of the role played by satellite cells in the regeneration of new skeletal muscle during growth and following injury. In response to muscle damage, satellite cells harbour the ability both to form myogenic precursors and to self-renew to repopulate the stem cell niche following myofibre damage. More recently, other stem cell populations including bone marrow stem cells, skeletal muscle side population cells and mesoangioblasts have also been shown to have myogenic potential in culture, and to be able to form skeletal muscle myofibres in vivo and engraft into the satellite cell niche. These cell types, along with satellite cells, have shown potential when used as a therapy for skeletal muscle wasting disorders where the intrinsic stem cell population is genetically unable to repair non-functioning muscle tissue. Accurate understanding of the mechanisms controlling satellite cell lineage progression and self-renewal as well as the recruitment of other stem cell types towards the myogenic lineage is crucial if we are to exploit the power of these cells in combating myopathic conditions. Here we highlight the origin, molecular regulation and therapeutic potential of all the major cell types capable of undergoing myogenic differentiation and discuss their potential therapeutic application.

Adult skeletal muscle stem cell migration is mediated by a blebbing/amoeboid mechanism

Adult skeletal muscle possesses a resident stem cell population called satellite cells which are responsible for tissue repair following damage. Satellite cell migration is crucial in promoting rapid tissue regeneration but is a poorly understood process. Furthermore, the mechanisms facilitating satellite cell movement have yet to be elucidated. Here the process of satellite cell migration has been investigated revealing that they undergo two distinct phases of movement; firstly under the basal lamina and then rapidly increasing their velocity when on the myofibre surface. Most significantly we show that satellite cells move using a highly dynamic blebbing based mechanism and not via lamellopodia mediated propulsion. We show that nitric oxide and non-canonical Wnt signalling pathways are necessary for regulating the formation of blebs and the migration of satellite cells. In summary, we propose that the formation of blebs and their necessity for satellite cell migration has significant implications in the future development of therapeutic regimes aimed at promoting skeletal muscle regeneration.

Investigation of K14/K5 as a stem cell marker in the limbal region of the bovine cornea

Background: Identification of stem cells from a corneal epithelial cell population by specific molecular markers has been investigated previously. Expressions of P63, ABCG2 and K14/K5 have all been linked to mammalian corneal epithelial stem cells. Here we report on the limitations of K14/K5 as a limbal stem cell marker. Methodology/Principal Findings: K14/K5 expression was measured by immunohistochemistry, Western blotting and Real time PCR and compared between bovine epithelial cells in the limbus and central cornea. A functional study was also included to investigate changes in K5/14 expression within cultured limbal epithelial cells undergoing forced differentiation. K14 expression (or its partner K5) was detected in quiescent epithelial cells from both the limbal area and central cornea. K14 was localized predominantly to basal epithelial cells in the limbus and suprabasal epithelial cells in the central cornea. Western blotting revealed K14 expression in both limbus and central cornea (higher levels in the limbus). Similarly, quantitative real time PCR found K5, partner to K14, to be expressed in both the central cornea and limbus. Following forced differentiation in culture the limbal epithelial cells revealed an increase in K5/14 gene/protein expression levels in concert with a predictable rise in a known differentiation marker. Conclusions/Significance: K14 and its partner K5 are limited not only to the limbus but also to the central bovine cornea epithelial cells suggesting K14/K5 is not limbal specific in situ. Furthermore K14/K5 expression levels were not lowered (in fact they increased) within a limbal epithelial cell culture undergoing forced differentiation suggesting K14/K5 is an unreliable maker for undifferentiated cells ex vivo.

Ex vivo expansion of limbal stem cells is affected by substrate properties

Limbal epithelial stem cells play a key role in the maintenance and regulation of the corneal surface. Damage or destruction of these cells results in vascularisation and corneal opacity. Subsequent limbal stem cell transplantation requires an ex vivo expansion step and preserving cells in an undifferentiated state remains vital. In this report we seek to control the phenotype of limbal epithelial stem cells by the novel application of compressed collagen substrates. We have characterised the mechanical and surface properties of conventional collagen gels using shear rheology and scanning electron microscopy. In doing so, we provide evidence to show that compressive load can improve the stiffness of collagen substrates. In addition Western blotting and immunohistochemistry display increased cytokeratin 3 (CK3) protein expression relating to limbal epithelial cell differentiation on stiff collagen substrates. Such gels with an elastic modulus of 2900 Pa supported a significantly higher number of cells than less stiff collagen gels (3 Pa). These findings have substantial influence in the development of ocular surface constructs or experimental models particularly in the fields of stem cell research, tissue engineering and regenerative medicine.

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.

Age related changes in speed and mechanism of adult skeletal muscle stem cell migration

Skeletal muscle undergoes a progressive age-related loss in mass and function. Preservation of muscle mass depends in part on satellite cells, the resident stem cells of skeletal muscle. Reduced satellite cell function may contribute to the age-associated decrease in muscle mass. Here we focused on characterising the effect of age on satellite cell migration. We report that aged satellite cells migrate at less than half the speed of young cells. In addition, aged cells show abnormal membrane extension and retraction characteristics required for amoeboid based cell migration. Aged satellite cells displayed low levels of integrin expression. By deploying a mathematical model approach to investigate mechanism of migration, we have found that young satellite cells move in a random ‘memoryless’ manner whereas old cells demonstrate superdiffusive tendencies. Most importantly, we show that nitric oxide, a key regulator of cell migration, reversed the loss in migration speed and reinstated the unbiased mechanism of movement in aged satellite cells. Finally we found that although Hepatocyte Growth Factor increased the rate of aged satellite cell movement it did not restore the memoryless migration characteristics displayed in young cells. Our study shows that satellite cell migration, a key component of skeletal muscle regeneration, is compromised during aging. However, we propose clinically approved drugs could be used to overcome these detrimental changes.

Towards the use of hydrogels in the treatment of limbal stem cell deficiency

Corneal blindness caused by limbal stem cell deficiency (LSCD) is a prevailing disorder worldwide. Clinical outcomes for LSCD therapy using amniotic membrane (AM) are unpredictable. Hydrogels can eliminate limitations of standard therapy for LSCD, because they present all the advantages of AM (i.e. biocompatibility, inertness and a biodegradable structure) but unlike AM, they are structurally uniform and can be easily manipulated to alter mechanical and physical properties. Hydrogels can be delivered with minimum trauma to the ocular surface and do not require extensive serological screening before clinical application. The hydrogel structure is also amenable to modifications which direct stem cell fate. In this focussed review we highlight hydrogels as biomaterial substrates which may replace and/or complement AM in the treatment of LSCD.

Targeting stem cell niches and trafficking for cardiovascular therapy.

Regenerative cardiovascular medicine is the frontline of 21st-century health care. Cell therapy trials using bone marrow progenitor cells documented that the approach is feasible, safe and potentially beneficial in patients with ischemic disease. However, cardiovascular prevention and rehabilitation strategies should aim to conserve the pristine healing capacity of a healthy organism as well as reactivate it under disease conditions. This requires an increased understanding of stem cell microenvironment and trafficking mechanisms. Engagement and disengagement of stem cells of the osteoblastic niche is a dynamic process, finely tuned to allow low amounts of cells move out of the bone marrow and into the circulation on a regular basis. The balance is altered under stress situations, like tissue injury or ischemia, leading to remarkably increased cell egression. Individual populations of circulating progenitor cells could give rise to mature tissue cells (e.g. endothelial cells or cardiomyocytes), while the majority may differentiate to leukocytes, affecting the environment of homing sites in a paracrine way, e.g. promoting endothelial survival, proliferation and function, as well as attenuating or enhancing inflammation. This review focuses on the dynamics of the stem cell niche in healthy and disease conditions and on therapeutic means to direct stem cell/progenitor cell mobilization and recruitment into improved tissue repair.