Advancing tendon regeneration through the development of bio-stimulating tissue engineering approaches

Tendon tissue engineering (TE) requires tailoring scaffolds designs and properties to the anatomical and functional requirements of tendons located in different regions of the body. Cell sourcing is also of utmost importance as tendon cells are scarce. Recently, we have found that it is possible to direct the tenogenic differentiation of Amniotic fluid and Adipose tissue derived stem cells (hAFSCs and hASCs), and also that there are hASCs subpopulations that might be more prone to tenogenic differentiation. Nevertheless, biochemical stimulation may not be enough to develop functional TE substitutes for a tissue that is known to be highly dependent on mechanical loading.

Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Compressed collagen gel: a novel scaffold for human bladder cells.

Collagen is highly conserved across species and has been used extensively for tissue regeneration; however, its mechanical properties are limited. A recent advance using plastic compression of collagen gels to achieve much higher concentrations significantly increases its mechanical properties at the neo-tissue level. This controlled, cell-independent process allows the engineering of biomimetic scaffolds. We have evaluated plastic compressed collagen scaffolds seeded with human bladder smooth muscle cells inside and urothelial cells on the gel surface for potential urological applications. Bladder smooth muscle and urothelial cells were visualized using scanning electron microscopy, conventional histology and immunohistochemistry; cell viability and proliferation were also quantified for 14 days in vitro. Both cell types tested proliferated on the construct surface, forming dense cell layers after 2 weeks. However, smooth muscle cells seeded within the construct, assessed with the Alamar blue assay, showed lower proliferation. Cellular distribution within the construct was also evaluated, using confocal microscopy. After 14 days of in vitro culture, 30% of the smooth muscle cells were found on the construct surface compared to 0% at day 1. Our results provide some evidence that cell-seeded plastic compressed collagen has significant potential for bladder tissue regeneration, as these materials allow efficient cell seeding inside the construct as well as cell proliferation.

Accessory tendinous slips arising from the extensor carpi ulnaris (ECU) tendon: MRI appearance, prevalence and association with ECU tenosynovitis and tendinopathy

Purpose: To report the MRI features of ECU accessory tendinous slips, assess their observable prevalence and evaluate a potential link between this anatomical variation and ECU tenosynovitis or tendinopathy. Methods and materials: Institutional review board approved this retrospective study, with waiver of patient informed consent. One hundred sixty wrist MRI studies from 158 patients (85 females, 73 males, mean age 45.6 years, range 14-86) performed between March 2008 and February 2009 on a 1.5-T unit were included. MR images were analyzed by two radiologists in consensus. The observable prevalence of ECU accessory tendinous slips was assessed and their origin, diameter and insertion sites were noted. The presence of ECU tenosynovitis and/or tendinopathy was also evaluated. Results: The observable prevalence of ECU accessory tendinous slips was 21.9% (35/160). The origin was always seen: 8 were at the level of, and 27 distal to the ECU subsheath. The slip median diameter was 0.67 mm (range 0.43-0.88). The insertion was seen in 17.1% (6/35): 2 were on the fifth metacarpal bone, 4 on the extensor apparatus of the fifth finger. ECU tenosynovitis (20%), tendinopathy (5.7%) as well as concomitant tenosynovitis and tendinopathy (25.7%) were more frequently encountered in the patients with the anatomical variation than in the control patients group (0.8%, 3.2% and 9.6% respectively). Differences were statistically significant for tenosynovitis (p = 0.0001) and concomitant tenosynovitis and tendinopathy (p = 0.02) of the ECU. Conclusion: ECU accessory tendinous slips are frequent and visible on 1.5-T wrist MRI studies. ECU tenosynovitis and tendinopathy are more frequent in patients bearing this anatomical variation.

Closed rupture of the tibialis anterior tendon : a report of 2 cases

Closed rupture of the tibialis anterior tendon is a rare injury, and it usually affects individuals older than 50 years of age. This rare injury tends to occur spontaneously, and this often delays diagnosis and adequate treatment. Although direct surgical repair of the ruptured tibialis anterior tendon is generally considered the treatment of choice, nonanatomic repair, tendon lengthening, or tendon transfer might be necessary in cases where shortening of the muscle-tendon unit has taken place. In this report, we describe 2 cases that involved the surgical repair of closed ruptures of the tibialis anterior tendon. In the first case, direct repair was undertaken at approximately 6 months after the onset of symptoms, and in the second case repair of the tibialis anterior tendon required augmentation tenodesis with the extensor retinaculum. Level of Clinical Evidence: 4.

Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

The scaffold protein IB1/JIP-1 is a critical mediator of cytokine-induced apoptosis in pancreatic beta cells.

In insulin-secreting cells, cytokines activate the c-Jun N-terminal kinase (JNK), which contributes to a cell signaling towards apoptosis. The JNK activation requires the presence of the murine scaffold protein JNK-interacting protein 1 (JIP-1) or human Islet-brain 1(IB1), which organizes MLK3, MKK7 and JNK for proper signaling specificity. Here, we used adenovirus-mediated gene transfer to modulate IB1/JIP-1 cellular content in order to investigate the contribution of IB1/JIP-1 to beta-cell survival. Exposure of the insulin-producing cell line INS-1 or isolated rat pancreatic islets to cytokines (interferon-gamma, tumor necrosis factor-alpha and interleukin-1beta) induced a marked reduction of IB1/JIP-1 content and a concomitant increase in JNK activity and apoptosis rate. This JNK-induced pro-apoptotic program was prevented in INS-1 cells by overproducing IB1/JIP-1 and this effect was associated with inhibition of caspase-3 cleavage. Conversely, reducing IB1/JIP-1 content in INS-1 cells and isolated pancreatic islets induced a robust increase in basal and cytokine-stimulated apoptosis. In heterozygous mice carrying a selective disruption of the IB1/JIP-1 gene, the reduction in IB1/JIP-1 content in happloinsufficient isolated pancreatic islets was associated with an increased JNK activity and basal apoptosis. These data demonstrate that modulation of the IB1-JIP-1 content in beta cells is a crucial regulator of JNK signaling pathway and of cytokine-induced apoptosis.

The scaffold protein IB1/JIP-1 controls the activation of JNK in rat stressed urothelium.

The c-Jun N-terminal kinase (JNK) is critical for cell survival, differentiation, apoptosis and tumorigenesis. This signalling pathway requires the presence of the scaffold protein Islet-Brain1/c-Jun N-terminal kinase interacting protein-1 (IB1/JIP-1). Immunolabeling and in situ hybridisation of bladder sections showed that IB1/JIP-1 is expressed in urothelial cells. The functional role of IB1/JIP-1 in the urothelium was therefore studied in vivo in a model of complete rat bladder outlet obstruction. This parietal stress, which is due to urine retention, reduced the content of IB1/JIP-1 in urothelial cells and consequently induced a drastic increase in JNK activity and AP-1 binding activity. Using a viral gene transfer approach, the stress-induced activation of JNK was prevented by overexpressing IB1/JIP-1. Conversely, the JNK activity was increased in urothelial cells where the IB1/JIP-1 content was experimentally reduced using an antisense RNA strategy. Furthermore, JNK activation was found to be increased in non-stressed urothelial cells of heterozygous mice carrying a selective disruption of the IB1/JIP-1 gene. These data established that mechanical stress in urothelial cells in vivo induces a robust JNK activation as a consequence of regulated expression of the scaffold protein IB1/JIP-1. This result highlights a critical role for that scaffold protein in the homeostasis of the urothelium and unravels a new potential target to regulate the JNK pathway in this tissue.

Double-bundle transtibial posterior cruciate ligament reconstruction with a tendon-patellar bone-semitendinosus tendon autograft: clinical results with a minimum of 2 years' follow-up.

PURPOSE: The purpose of this study was to evaluate the clinical and subjective outcomes after arthroscopic-assisted double-bundle posterior cruciate ligament (PCL) reconstruction. METHODS: A series of 15 patients with grade III isolated chronic PCL tears underwent double-bundle PCL reconstruction. Of these patients, 8 (53%) had simultaneous fractures. The mean time from accident to surgery was 10.8 months (range, 8 to 15 months). The mean age at the time of surgery was 28.2 years (range, 17 to 43 years). All of the patients reported knee insecurity during activities of daily living or light sporting activities, with associated anterior knee pain in 5 patients. Preoperatively, posterolateral or posteromedial corner injuries were ruled out through accurate clinical examination. The knees were assessed before surgery and at a mean follow-up of 3.2 years (range, 2 to 5 years) with a physical examination, 4 different rating scales, and stress radiographs obtained with a Telos device (Telos, Marburg, Germany). RESULTS: Postoperative physical examination revealed a reduction of the posterior drawer and tibial step-off in all cases, although the posterior laxity was not completely normalized. Nevertheless, the patients were subjectively better after surgery. The subjective International Knee Documentation Committee score was significantly ameliorated. With regard to the objective International Knee Documentation Committee score, 6 knees (40%) were graded as abnormal because of posterior displacement of 6 mm or greater on follow-up stress radiographs with the Telos device. On the Lysholm knee scoring scale, the score was excellent in 13% of patients and good in 87%. The mean score on the Hospital for Special Surgery knee ligament rating scale was 85.8. The Tegner activity score showed an amelioration after surgery, but no patient resumed his or her preinjury level of activities. The postoperative stress radiographs revealed an improvement in posterior instability of 50% or more in all but 3 knees (20%). CONCLUSIONS: Our technique of double-bundle PCL reconstruction produced a significant reduction in knee symptoms and allowed the patients to return to moderate or strenuous activity, although the posterior tibial translation was not completely normalized and our results appear to be no better than the results of single-bundle PCL reconstruction. LEVEL OF EVIDENCE: Level IV, therapeutic case series.

Diagnostic et traitement de la rupture du tendon d'Achille [Diagnosis and treatment of the ruptured Achilles tendon].

The treatment of the recently ruptured Achilles tendon can be conservative or surgical. The conservative treatment may be carried out using either a static cast immobilisation or using a dynamic brace and an early functional rehabilitation. The surgical technique can be either open or mini-invasive. Neglected and ancient ruptures may need to be treated surgically by a tendinoplasty. There is an ongoing discussion about how to manage the recently ruptured Achilles tendon, especially since recent descriptions of conservative-functional treatment procedures and mini-invasive surgical techniques. We present the choice of the different treatment options and the clinical reasoning to identify the best adapted treatment for the individual patient. The ideal treatment option depends on the functional demand and the medical condition of the patient.

In vivo loading increases mechanical properties of scaffold by affecting bone formation and bone resorption rates.

A successful bone tissue engineering strategy entails producing bone-scaffold constructs with adequate mechanical properties. Apart from the mechanical properties of the scaffold itself, the forming bone inside the scaffold also adds to the strength of the construct. In this study, we investigated the role of in vivo cyclic loading on mechanical properties of a bone scaffold. We implanted PLA/β-TCP scaffolds in the distal femur of six rats, applied external cyclic loading on the right leg, and kept the left leg as a control. We monitored bone formation at 7 time points over 35 weeks using time-lapsed micro-computed tomography (CT) imaging. The images were then used to construct micro-finite element models of bone-scaffold constructs, with which we estimated the stiffness for each sample at all time points. We found that loading increased the stiffness by 60% at 35 weeks. The increase of stiffness was correlated to an increase in bone volume fraction of 18% in the loaded scaffold compared to control scaffold. These changes in volume fraction and related stiffness in the bone scaffold are regulated by two independent processes, bone formation and bone resorption. Using time-lapsed micro-CT imaging and a newly-developed longitudinal image registration technique, we observed that mechanical stimulation increases the bone formation rate during 4-10 weeks, and decreases the bone resorption rate during 9-18 weeks post-operatively. For the first time, we report that in vivo cyclic loading increases mechanical properties of the scaffold by increasing the bone formation rate and decreasing the bone resorption rate.