Development of the endocrine pancreas and novel strategies for β-cell mass restoration and diabetes therapy

Diabetes mellitus represents a serious public health problem owing to its global prevalence in the last decade. The causes of this metabolic disease include dysfunction and/or insufficient number of β cells. Existing diabetes mellitus treatments do not reverse or control the disease. Therefore, β-cell mass restoration might be a promising treatment. Several restoration approaches have been developed: inducing the proliferation of remaining insulin-producing cells, de novo islet formation from pancreatic progenitor cells (neogenesis), and converting non-β cells within the pancreas to β cells (transdifferentiation) are the most direct, simple, and least invasive ways to increase β-cell mass. However, their clinical significance is yet to be determined. Hypothetically, β cells or islet transplantation methods might be curative strategies for diabetes mellitus; however, the scarcity of donors limits the clinical application of these approaches. Thus, alternative cell sources for β-cell replacement could include embryonic stem cells, induced pluripotent stem cells, and mesenchymal stem cells. However, most differentiated cells obtained using these techniques are functionally immature and show poor glucose-stimulated insulin secretion compared with native β cells. Currently, their clinical use is still hampered by ethical issues and the risk of tumor development post transplantation. In this review, we briefly summarize the current knowledge of mouse pancreas organogenesis, morphogenesis, and maturation, including the molecular mechanisms involved. We then discuss two possible approaches of β-cell mass restoration for diabetes mellitus therapy: β-cell regeneration and β-cell replacement. We critically analyze each strategy with respect to the accessibility of the cells, potential risk to patients, and possible clinical outcomes.

Effets de la reprogrammation sur le gène empreinté H19 chez les équins

Lors de la fécondation, le génome subit des transformations épigénétiques qui vont guider le développement et le phénotype de l’embryon. L'avènement des techniques de reprogrammation cellulaire, permettant la dédifférenciation d'une cellule somatique adulte, ouvre la porte à de nouvelles thérapies régénératives. Par exemple, les procédures de transfert nucléaire de cellules somatique (SCNT) ainsi que la pluripotence par induction (IP) visent à reprogrammer une cellule somatique adulte différentiée à un état pluripotent similaire à celui trouvé durant la fécondation chez l'embryon sans en impacter l'expression génique vitale au fonctionnement cellulaire. Cependant, la reprogrammation partielle est souvent associée à une mauvaise méthylation de séquences géniques responsables de la régulation des empreintes géniques. Ces gènes, étudiés chez la souris, le bovin et l'humain, sont exprimés de manière monoallélique, parent spécifique et sont vitaux pour le développement embryonnaire. Ainsi, nous avons voulu définir le statut épigénétique du gène empreinté H19 chez l'équin, autant chez le gamètes que les embryons dérivés de manière in vivo, SCNT ainsi que les cellules pluripotentes induites (iPSC). Une région contrôle empreinté (ICR) riche en îlots CpG a été observée en amont du promoteur. Couplé avec une analyse de transcrit parent spécifique du gène H19, nous avons confirmé que l'empreinte du gène H19 suit le modèle insulaire décrit chez les autres mammifères étudiés et résiste à la reprogrammation induite par SCNT ou IP. La déméthylation partielle de l'ICR observée chez certains échantillons reprogrammés n'était pas suffisante pour induire une expression biallélique, suggérant un contrôle des empreintes chez les équins durant la reprogrammation.

För Sverige i framtiden : Bio-objektifiering av ny medicinsk teknologi

Taking Sweden into the future – Bio-objectification of new medical technology In this article, we analyze how contemporary discursive silences around new biotechnologies such as cybrids and induced pluripotent stem cells (iPSC), have been enabled by earlier policy processes in the area, e.g. boundary work around what is human and non-human, living and non-living, subject and object. The analysis of policy processes around xenotransplantations and the use of human embryonic stem cells, shows that the stem cells’ and xenografts’ “bio-identities” become stabilized through high expectations for the future, a lack of therapeutic possibilities and struggles over definitions of life. The policy processes around human embryonic stem cells and organs from other animals, are characterized by a normalization of certain understandings of ”life”, trust in scientific progress and it’s national financial potentials and a categorization of criticism as irrational. Through these “bio-objectification processes”, debate and decision making has been moved from a political and public context into ethical committees and research funding bodies. The article concludes by discussing consequences of this political non-handling of biomedical technologies and how these bioobjects could be re-politicized.

A necessidade atual em se continuar a pesquisar com células-tronco embrionárias

Embryonic stem cells are pluripotent and able to generate all cell types of the body, being the most promising cells to the study for regenerative medicine. Following the differentiation path, there are adult stem cells, which are committed with a specific cell lineage, creating limitations on their application. On the extreme opposite of embryonic stem cells there are the induced pluripotent stem cells, originated from a somatic cell after genetic reprogramming. Induced pluripotent stem cells are a recent science discovery and may substitute the use of embryonic stem cells in future research. But with nowadays knowledge, the use of adult stem cells and induced pluripotent stem cells are limited due to high expenses and long time process demand. Moreover, the development achieved on all kinds of stem cells study are, in some part, due to the study of embryonic stem cells, what makes the study of these cell type still mandatory. © Todos os direitos reservados a.

Evidence for premature aging due to oxidative stress in iPSCs from Cockayne syndrome

Cockayne syndrome (CS) is a human premature aging disorder associated with neurological and developmental abnormalities, caused by mutations mainly in the CS group B gene (ERCC6). At the molecular level, CS is characterized by a deficiency in the transcription-couple DNA repair pathway. To understand the role of this molecular pathway in a pluripotent cell and the impact of CSB mutation during human cellular development, we generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from CSB skin fibroblasts (CSB-iPSC). Here, we showed that the lack of functional CSB does not represent a barrier to genetic reprogramming. However, iPSCs derived from CSB patients fibroblasts exhibited elevated cell death rate and higher reactive oxygen species (ROS) production. Moreover, these cellular phenotypes were accompanied by an up-regulation of TXNIP and TP53 transcriptional expression. Our findings suggest that CSB modulates cell viability in pluripotent stem cells, regulating the expression of TP53 and TXNIP and ROS production.

Optimization of RNA-based transgene expression by targeting Protein Kinase R

The aim of this thesis was to establish a method for repeated transfection of in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) leading to a sustained protein expression lasting for days or even weeks. Once transfected cells recognize IVT-RNA as "non-self" and initiate defense pathways leading to an upregulated interferon (IFN) response and stalled translation. In this work Protein Kinase R (PKR) was identified as the main effector molecule mediating this cellular response. We assessed four strategies to inhibit PKR and the IFN response: A small molecule PKR inhibitor enhanced protein expression and hampered the induction of IFN-transcripts, but had to be excluded due to cytotoxicity. A siRNA mediated PKR knockdown and the overexpression of a kinase inactive PKR mutant elevated the protein expression, but the down-regulation of the IFN response was insufficient. The co-transfer of the viral inhibitors of PKR and the IFN response was most successful. The use of E3, K3 and B18R co-transfection enabled repeated IVT-RNA-based transfection of human fibroblasts. Thus, the developed protocol allows a continuous IVT-RNA encoded protein expression of proteins, which could be the basis for the generation of induced pluripotent stem cells (iPS) for several therapeutic applications in regenerative medicine or drug research.

Development and characterization of a scaffold-free 3D spheroid model of iPSC-derived human cardiomyocytes

Purpose: Cardiomyocytes are terminally differentiated cells in the adult heart and ischemia and cardiotoxic compounds can lead to cell death and irreversible decline of cardiac function. As testing platforms, isolated organs and primary cells from rodents have been the standard in research and toxicology, but there is a need for better models that more faithfully recapitulate native human biology. Hence, a new in vitro model comprising the advantages of 3D cell culture and the availability of induced pluripotent stem cells (iPSC) from human origin was developed and characterized. Methods: Human cardiomyocytes (CMs) derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) were studied in standard 2D culture and as cardiac microtissues (MTs) formed in hanging drops. 2D cultures were examined using immunofluorescence microscopy and Western blotting while the cardiac MTs were subjected to immunofluorescence, contractility, and pharmacological investigations. Results: iPSC-derived CMs in 2D culture showed well-formed myofibrils, cell-cell contacts positive for connexin-43, and other typical cardiac proteins. The cells reacted to pro-hypertrophic growth factors with a substantial increase in myofibrils and sarcomeric proteins. In hanging drop cultures, iPSC-derived cardiomyocytes formed spheroidal MTs within 4 days showing a homogeneous tissue structure with well-developed myofibrils extending throughout the whole spheroid without a necrotic core. MTs showed spontaneous contractions for more than 4 weeks that were recorded by optical motion tracking, sensitive to temperature, and responsive to electrical pacing. Contractile pharmacology was tested with several agents known to modulate cardiac rate and viability. Calcium-transients underlay the contractile activity and were also responsive to electrical stimulation, caffeine-induced Ca2+-release, extracellular calcium levels. Conclusions: 3D culture using iPSC-derived human cardiomyocytes provides an organoid human-based cellular platform that is free of necrosis and recapitulates vital cardiac functionality, thereby providing new and promising relevant model for the evaluation and development of new therapies and detection of cardiotoxicity.

Human iPSC derived disease model of MERTK-associated retinitis pigmentosa

Retinitis pigmentosa (RP) represents a genetically heterogeneous group of retinal dystrophies affecting mainly the rod photoreceptors and in some instances also the retinal pigment epithelium (RPE) cells of the retina. Clinical symptoms and disease progression leading to moderate to severe loss of vision are well established and despite significant progress in the identification of causative genes, the disease pathology remains unclear. Lack of this understanding has so far hindered development of effective therapies. Here we report successful generation of human induced pluripotent stem cells (iPSC) from skin fibroblasts of a patient harboring a novel Ser331Cysfs*5 mutation in the MERTK gene. The patient was diagnosed with an early onset and severe form of autosomal recessive RP (arRP). Upon differentiation of these iPSC towards RPE, patient-specific RPE cells exhibited defective phagocytosis, a characteristic phenotype of MERTK deficiency observed in human patients and animal models. Thus we have created a faithful cellular model of arRP incorporating the human genetic background which will allow us to investigate in detail the disease mechanism, explore screening of a variety of therapeutic compounds/reagents and design either combined cell and gene- based therapies or independent approaches.

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

Magnetic Devices and Techniques for the Study of Viscoelasticity of Biomaterials and Myocardial Forces

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

A Rare Loss-of-Function Variant in Scavenger Receptor Class B Type I (SCARB1) Raises HDL Cholesterol and Increases Risk of Coronary Disease

Scavenger receptor BI (SR-BI) is the major receptor for high-density lipoprotein (HDL)
cholesterol (HDL-C). In humans, high amounts of HDL-C in plasma are associated with a
lower risk of coronary heart disease (CHD). Mice that have depleted Scarb1 (SR-BI
knockout mice) have markedly elevated HDL-C levels but, paradoxically, increased
atherosclerosis. The impact of SR-BI on HDL metabolism and CHD risk in humans remains
unclear. Through targeted sequencing of coding regions of lipid-modifying genes in 328
individuals with extremely high plasma HDL-C levels, we identified a homozygote for a lossof-function
variant, in which leucine replaces proline 376 (P376L), in SCARB1, the gene
encoding SR-BI. The P376L variant impairs posttranslational processing of SR-BI and
abrogates selective HDL cholesterol uptake in transfected cells, in hepatocyte-like cells
derived from induced pluripotent stem cells from the homozygous subject, and in mice.
Large population-based studies revealed that subjects who are heterozygous carriers of
the P376L variant have significantly increased levels of plasma HDL-C. P376L carriers have
a profound HDL-related phenotype and an increased risk of CHD (odds ratio = 1.79, which is
statistically significant).

Friedreich Ataxia

Friedreich ataxia (FRDA) is an autosomal recessive disease characterized by progressive neurological and cardiac abnormalities. It has a prevalence of around 2×10⁵ in whites, accounting for more than one-third of the cases of recessively inherited ataxia in this ethnic group. FRDA may not exist in nonwhite populations.The first symptoms usually appear in childhood, but age of onset may vary from infancy to adulthood. Atrophy of sensory and cerebellar pathways causes ataxia, dysarthria, fixation instability, deep sensory loss, and loss of tendon reflexes. Corticospinal degeneration leads to muscular weakness and extensor plantar responses. A hypertrophic cardiomyopathy may contribute to disability and cause premature death. Other common problems include kyphoscoliosis, pes cavus, and, in 10% of patients, diabetes mellitus.The FRDA gene (FXN) encodes a small mitochondrial protein, frataxin, which is produced in insufficient amounts in the disease, as a consequence of the epigenetic silencing of the gene triggered by a GAA triplet repeat expansion in the first intron of the gene. Frataxin deficiency results in impaired iron-sulfur cluster biogenesis in mitochondria, in turn leading to widespread dysfunction of iron-sulfur center containing enzymes (in particular respiratory complexes I, II and III, and aconitase), impaired iron metabolism, oxidative stress, and mitochondrial dysfunction. Therapy aims to restore frataxin levels or to correct the consequences of its deficiency.

The effect of chaperone compounds on glucocerebrosidase stability and activity in fibroblasts from Gaucher Disease patients with different genotypes

Dissertação de mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2014

IPSCs, a promising tool to restore muscle atrophy

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are a promising tool for regenerative medicine in chronic conditions associated with muscle atrophy since iPSCs are easier to obtain, pose less ethical limitations and can better capture human genetic diversity compared with human embryonic stem cells. We highlight the potentiality of iPSCs for treating muscle-affecting conditions for which no effective cure is yet available, notably aging sarcopenia and inherited neurometabolic conditions