Characterization of human mesenchymal stem cells from multiple donors and the implications for large scale bioprocess development

Cell-based therapies have the potential to contribute to global healthcare, whereby the use of living cells and tissues can be used as medicinal therapies. Despite this potential, many challenges remain before the full value of this emerging field can be realized. The characterization of input material for cell-based therapy bioprocesses from multiple donors is necessary to identify and understand the potential implications of input variation on process development. In this work, we have characterized bone marrow derived human mesenchymal stem cells (BM-hMSCs) from multiple donors and discussed the implications of the measurable input variation on the development of autologous and allogeneic cell-based therapy manufacturing processes. The range of cumulative population doublings across the five BM-hMSC lines over 30 days of culture was 5.93, with an 18.2% range in colony forming efficiency at the end of the culture process and a 55.1% difference in the production of interleukin-6 between these cell lines. It has been demonstrated that this variation results in a range in the process time between these donor hMSC lines for a hypothetical product of over 13 days, creating potential batch timing issues when manufacturing products from multiple patients. All BM-hMSC donor lines demonstrated conformity to the ISCT criteria but showed a difference in cell morphology. Metabolite analysis showed that hMSCs from the different donors have a range in glucose consumption of 26.98 pmol cell−1 day−1, Lactate production of 29.45 pmol cell−1 day−1 and ammonium production of 1.35 pmol cell−1 day−1, demonstrating the extent of donor variability throughout the expansion process. Measuring informative product attributes during process development will facilitate progress towards consistent manufacturing processes, a critical step in the translation cell-based therapies.

Early transplantation of mesenchymal stem cells after spinal cord injury relieves pain hypersensitivity through suppression of pain-related signaling cascades and reduced inflammatory cell recruitment

Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSC) modulate inflammatory/immune responses and promote motor functional recovery after spinal cord injury (SCI). However, the effects of BMSC transplantation on central neuropathic pain and neuronal hyperexcitability after SCI remain elusive. This is of importance because BMSC-based therapies have been proposed for clinical treatment. We investigated the effects of BMSC transplantation on pain hypersensitivity in green fluorescent protein (GFP)-positive bone marrow-chimeric mice subjected to a contusion SCI, and the mechanisms of such effects. BMSC transplantation at day 3 post-SCI improved motor function and relieved SCI-induced hypersensitivities to mechanical and thermal stimulation. The pain improvements were mediated by suppression of protein kinase C-γ and phosphocyclic AMP response element binding protein expression in dorsal horn neurons. BMSC transplants significantly reduced levels of p-p38 mitogen-activated protein kinase and extracellular signal-regulated kinase (p-ERK1/2) in both hematogenous macrophages and resident microglia and significantly reduced the infiltration of CD11b and GFP double-positive hematogenous macrophages without decreasing the CD11b-positive and GFP-negative activated spinal-microglia population. BMSC transplants prevented hematogenous macrophages recruitment by restoration of the blood-spinal cord barrier (BSCB), which was associated with decreased levels of (a) inflammatory cytokines (tumor necrosis factor-α, interleukin-6); (b) mediators of early secondary vascular pathogenesis (matrix metallopeptidase 9); (c) macrophage recruiting factors (CCL2, CCL5, and CXCL10), but increased levels of a microglial stimulating factor (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor). These findings support the use of BMSC transplants for SCI treatment. Furthermore, they suggest that BMSC reduce neuropathic pain through a variety of related mechanisms that include neuronal sparing and restoration of the disturbed BSCB, mediated through modulation of the activity of spinal-resident microglia and the activity and recruitment of hematogenous macrophages.

The development of functional astrocyte-neuron networks derived from stem cells

There is currently great scientific and medical interest in the potential of tissue grown from stem cells. These cells present opportunities for generating model systems for drug screening and toxicological testing which would be expected to be more relevant to human outcomes than animal based tissue preparations. Newly realised astrocytic roles in the brain have fundamental implications within the context of stem cell derived neuronal networks. If the aim of stem cell neuroscience is to generate functional neuronal networks that behave as networks do in the brain, then it becomes clear that we must include and understand all the cellular components that comprise that network, and which are important to support synaptic integrity and cell to cell signalling. We have shown that stem cell derived neurons exhibit spontaneous and coordinated calcium elevations in clusters and in extended processes, indicating local and long distance signalling (1). Tetrodotoxin sensitive network activity could also be evoked by electrical stimulation. Similarly, astrocytes exhibit morphology and functional properties consistent with this glial cell type. Astrocytes also respond to neuronal activity and to exogenously applied neurotransmitters with calcium elevations, and in contrast to neurons, also exhibited spontaneous rhythmic calcium oscillations. Astroctyes also generate propagating calcium waves that are gap junction and purinergic signalling dependent. Our results show that stem cell derived astrocytes exhibit appropriate functionality and that stem cell neuronal networks interact with astrocytic networks in co-culture. Using mixed cultures of stem cell derived neurons and astrocytes, we have also shown both cell types also modulate their glucose uptake, glycogen turnover and lactate production in response to glutamate as well as increased neuronal activity (2). This finding is consistent with their neuron-astrocyte metabolic coupling thus demonstrating a tractable human model, which will facilitate the study of the metabolic coupling between neurons and astrocytes and its relationship with CNS functional issues ranging from plasticity to neurodegeneration. Indeed, cultures treated with oligomers of amyloid beta 1-42 (Aβ1-42) also display a clear hypometabolism, particularly with regard to utilization of substrates such as glucose (3). Both co-cultures of neurons and astrocytes and purified cultures of astrocytes showed a significant decrease in glucose uptake after treatment with 2 and 0.2 μmol/L Aβ at all time points investigated (p <0.01). In addition, a significant increase in the glycogen content of cells was also measured. Mixed neuron and astrocyte co-cultures as well as pure astrocyte cultures showed an initial decrease in glycogen levels at 6 hours compared with control at 0.2 μmol/L and 2 μmol/L P <0.01. These changes were accompanied by changes in NAD+/NADH (P<0.05), ATP (P<0.05), and glutathione levels (P<0.05), suggesting a disruption in the energy-redox axis within these cultures. The high energy demands associated with neuronal functions such as memory formation and protection from oxidative stress put these cells at particular risk from Aβ-induced hypometabolism. As numerous cell types interact in the brain it is important that any in vitro model developed reflects this arrangement. Our findings indicate that stem cell derived neuron and astrocyte networks can communicate, and so have the potential to interact in a tripartite manner as is seen in vivo. This study therefore lays the foundation for further development of stem cell derived neurons and astrocytes into therapeutic cell replacement and human toxicology/disease models. More recently our data provides evidence for a detrimental effect of Aβ on carbohydrate metabolism in both neurons and astrocytes. As a purely in vitro system, human stem cell models can be readily manipulated and maintained in culture for a period of months without the use of animals. In our laboratory cultures can be maintained in culture for up to 12 months months thus providing the opportunity to study the consequences of these changes over extended periods of time relevant to aspects of the disease progression time frame in vivo. In addition, their human origin provides a more realistic in vitro model as well as informing other human in vitro models such as patient-derived iPSC.

The Fate of Spermatogonial Stem Cells in the Cryptorchid Testes of RXFP2 Deficient Mice

The environmental niche of the spermatogonial stem cell pool is critical to ensure the continued generation of the germ cell population. To study the consequences of an aberrant testicular environment in cryptorchidism we used a mouse model with a deletion of Rxfp2 gene resulting in a high intra-abdominal testicular position. Mutant males were infertile with the gross morphology of the cryptorchid testis progressively deteriorating with age. Few spermatogonia were identifiable in 12 month old cryptorchid testes. Gene expression analysis showed no difference between mutant and control testes at postnatal day 10. In three month old males a decrease in expression of spermatogonial stem cell (SSC) markers Id4, Nanos2, and Ret was shown. The direct counting of ID4+ cells supported a significant decrease of SSCs. In contrast, the expression of Plzf, a marker for undifferentiated and differentiating spermatogonia was not reduced, and the number of PLZF+ cells in the cryptorchid testis was higher in three month old testes, but equal to control in six month old mutants. The PLZF+ cells did not show a higher rate of apoptosis in cryptorchid testis. The expression of the Sertoli cell FGF2 gene required for SSC maintenance was significantly reduced in mutant testis. Based on these findings we propose that the deregulation of somatic and germ cell genes in the cryptorchid testis, directs the SSCs towards the differentiation pathway. This leads to a depletion of the SSC pool and an increase in the number of PLZF+ spermatogonial cells, which too, eventually decreases with the exhaustion of the stem cell pool. Such a dynamic suggests that an early correction of cryptorchidism is critical for the retention of the SSC pool.

Transporters for Antiretroviral Drugs in Colorectal CD4+ T Cells and Circulating α4β7 Integrin CD4+ T cells : Implications for HIV Microbicides

This work was supported by the European Union's Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement No 305316 as part of the MOTIF (Microbicides Optimisation Through Innovative Formulation for Vaginal and Rectal Delivery) project. We would like to extend our thanks to all the study participants for their invaluable contribution and to Grampian Biorepository staff for help with collection of fresh colorectal resection tissue.

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.

Epigenetic reprogramming of imprinted genes in embryonic stem cells, fertilized and cloned embryos

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

Scaffold-free, Human Mesenchymal Stem Cell-Based Tissue Engineered Blood Vessels.

Tissue-engineered blood vessels (TEBV) can serve as vascular grafts and may also play an important role in the development of organs-on-a-chip. Most TEBV construction involves scaffolding with biomaterials such as collagen gel or electrospun fibrous mesh. Hypothesizing that a scaffold-free TEBV may be advantageous, we constructed a tubular structure (1 mm i.d.) from aligned human mesenchymal cell sheets (hMSC) as the wall and human endothelial progenitor cell (hEPC) coating as the lumen. The burst pressure of the scaffold-free TEBV was above 200 mmHg after three weeks of sequential culture in a rotating wall bioreactor and perfusion at 6.8 dynes/cm(2). The interwoven organization of the cell layers and extensive extracellular matrix (ECM) formation of the hMSC-based TEBV resembled that of native blood vessels. The TEBV exhibited flow-mediated vasodilation, vasoconstriction after exposure to 1 μM phenylephrine and released nitric oxide in a manner similar to that of porcine femoral vein. HL-60 cells attached to the TEBV lumen after TNF-α activation to suggest a functional endothelium. This study demonstrates the potential of a hEPC endothelialized hMSC-based TEBV for drug screening.

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.

Epigenetic reprogramming of imprinted genes in embryonic stem cells, fertilized and cloned embryos

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

Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry

Electrospun nanofibers are a promising material for ligamentous tissue engineering, however weak mechanical properties of fibers to date have limited their clinical usage. The goal of this work was to modify electrospun nanofibers to create a robust structure that mimics the complex hierarchy of native tendons and ligaments. The scaffolds that were fabricated in this study consisted of either random or aligned nanofibers in flat sheets or rolled nanofiber bundles that mimic the size scale of fascicle units in primarily tensile load bearing soft musculoskeletal tissues. Altering nanofiber orientation and geometry significantly affected mechanical properties; most notably aligned nanofiber sheets had the greatest modulus; 125% higher than that of random nanofiber sheets; and 45% higher than aligned nanofiber bundles. Modifying aligned nanofiber sheets to form aligned nanofiber bundles also resulted in approximately 107% higher yield stresses and 140% higher yield strains. The mechanical properties of aligned nanofiber bundles were in the range of the mechanical properties of the native ACL: modulus=158±32MPa, yield stress=57±23MPa and yield strain=0.38±0.08. Adipose derived stem cells cultured on all surfaces remained viable and proliferated extensively over a 7 day culture period and cells elongated on nanofiber bundles. The results of the study suggest that aligned nanofiber bundles may be useful for ligament and tendon tissue engineering based on their mechanical properties and ability to support cell adhesion, proliferation, and elongation.

Targeting treatment resistant breast cancer stem cells with FKBPL and its peptide derivative, AD-01

FKBPL and its peptide derivative, AD-01, have already demonstrated well-established inhibitory effects on breast cancer growth and CD44 dependent anti-angiogenic activity1, 2, 3. Since breast cancer stem cells (BCSCs) are CD44 positive, we wanted to explore if AD-01 could specifically target BCSCs. FKBPL stable overexpression or AD-01 treatment were highly effective at reducing the BCSC population measured by inhibiting mammosphere forming efficiency (MFE) in cell lines and primary breast cancer samples from both solid breast tumours and pleural effusions. Flow cytometry, to assess the ESA+/CD44+/CD24- subpopulation, validated these results. The ability of AD-01 to inhibit the self-renewal capacity of BCSCs was confirmed across three generations of mammospheres, where mammospheres were completely eradicated by the third generation (p<0.001). Clonogenic assays suggested that AD-01 mediated BCSC differentiation, with a significant decrease in the number of holoclones and an associated increase in meroclones/paraclones. In support of this, the stem cell markers, Nanog and Oct4 were significantly reduced following AD-01 treatment, whilst transfection of FKBPL-targeted siRNAs led to an increase in these markers and in mammosphere forming potential, highlighting the endogenous role of FKBPL in stem cell signalling. The clinical relevance of this was confirmed using a publically available microarray data set (GSE7390), where, high FKBPL and low Nanog expression were independently associated with improved overall survival in breast cancer patients (log rank test p=0.03; hazard ratio=3.01). When AD-01 was combined with other agents, we observed synergistic activity with the Notch inhibitor, DAPT and AD-01 was also able to abrogate a chemo- and radiotherapy induced enrichment in BCSCs. Importantly, using ‘gold standard’ in vivo limiting dilution assays we demonstrated a delay in tumour initiation and reoccurrence in AD-01 treated xenografts. In summary, AD-01 appears to have dual anti-angiogenic and anti-BCSC activity which will be advantageous as this agent enters clinical trial.