Development and preclinical assessment of a bioartificial pancreas.

Transplantation of insulin secreting cells is regarded as a possible treatment for type 1 diabetes. One major difficulty in this approach is, however, that the transplanted cells are exposed to the patient's inflammatory and autoimmune environment, which originally destroyed their own beta-cells. Therefore, even if a good source of insulin-secreting cells can be identified for transplantation therapy, these cells need to be protected against these destructive influences. The aim of this project was to evaluate, using a clonal mouse beta-cell line, whether genetic engineering of protective genes could be a viable option to allow these cells to survive when transplanted into autoimmune diabetic mice. We demonstrated that transfer of the Bcl-2 anti-apoptotic gene and of several genes specifically interfering with cytokines intracellular signalling pathways, greatly improved resistance of the cells to inflammatory stresses in vitro. We further showed that these modifications did not interfere with the capacity of these cells to correct hyperglycaemia for several months in syngeneic or allogeneic streptozocin-diabetic mice. However, these cells were not protected against autoimmune destruction when transplanted into type 1 diabetic NOD mice. This suggests that in addition to inflammatory attacks by cytokines, autoimmunity very efficiently kills the transplanted cells, indicating that multiple protective mechanisms are required for efficient transplantation of insulin-secreting cells to treat type 1 diabetes.

Cell therapies for tendons: old cell choice for modern innovation.

Although tissue engineering and cell therapies are becoming realistic approaches for medical therapeutics, it is likely that musculoskeletal applications will be among the first to benefit on a large scale. Cell sources for tissue engineering and cell therapies for tendon pathologies are reviewed with an emphasis on small defect tendon injuries as seen in the hand which could adapt well to injectable cell administration. Specifically, cell sources including tenocytes, tendon sheath fibroblasts, bone marrow or adipose-derived stem cells, amniotic cells, placenta cells and platelet-derivatives have been proposed to enhance tendon regeneration. The associated advantages and disadvantages for these different strategies will be discussed and evolving regulatory requirements for cellular therapies will also be addressed. Human progenitor tenocytes, along with their clinical cell banking potential, will be presented as an alternative cell source solution. Similar cell banking techniques have already been described with other progenitor cell types in the 1950's for vaccine production, and these "old" cell types incite potentially interesting therapeutic options that could be improved with modern innovation for tendon regeneration and repair.

Le 17B-Estradiol combiné à un biopolymère à base de chitosan accroît la biocompatibilité des cellules progénitrices dérivées de la moelle osseuse

Les cellules dérivées de la moelle osseuse, principalement les cellules endothéliales progénitrices, sont réduites chez les patients souffrant de maladies cardiovasculaires. Leur mobilisation et leur incorporation aux sites de lésion vasculaire sont des évènements prépondérants dans l’accélération des processus de réendothélialisation. Dans un modèle murin, le 17β-estradiol favorise les processus de guérison vasculaire par la mobilisation et le recrutement des cellules endothéliales progénitrices dérivées de la moelle osseuse. Il existe présentement plusieurs stratégies afin d’augmenter la mobilisation des cellules progénitrices ainsi que leur incorporation à la paroi vasculaire. Cependant, peu d’études privilégient la livraison locale d’un nombre élevé de cellules progénitrices fonctionnelles par un véhicule biodégradable et leur maintien au site de lésion afin de favoriser la réendothélialisation ciblée. Un polymère d’intérêt pour cette application s’avère être le chitosan. Ce biopolymère non toxique et biodégradable est couramment utilisé dans l’ingénierie tissulaire et, depuis peu, est utilisé dans la guérison vasculaire. Le chitosan complexé à la phosphorylcholine voit sa solubilité s’accroître dans les solutions aqueuses ainsi que sa biocompatibilité cellulaire en condition physiologique. Le projet de ce mémoire visait donc : 1) à étudier in vitro, la capacité d’un polymère de chitosan complexé à la phosphorylcholine à influencer l’adhésion, la survie, la différenciation et la fonctionnalité cellulaire dans un modèle murin de culture mixte de cellules dérivées de la moelle osseuse et 2) de déterminer l’impact de la présence du 17β-estradiol sur ces mêmes comportements cellulaires. Nos travaux démontrent que la matrice de chitosan-phosphorylcholine s’avère compatible avec notre modèle de culture cellulaire. En effet, ce polymère est capable de promouvoir l’organisation et le développement des cellules dérivées de la moelle osseuse de façon comparable à la matrice normalement utilisée dans la croissance in vitro des cellules endothéliales progénitrices, la fibronectine. De plus, ce polymère n’a nullement compromis l’activité migratoire des cellules, laissant supposer qu’il pourrait éventuellement être un véhicule approprié pour effectuer une livraison cellulaire à un site de lésion. Il s’avère que le 17β-estradiol, lorsqu’ajouté au milieu de culture ou complexé au polymère de chitosan phosphorylcholine, est capable de moduler le comportement cellulaire, et ce, de façon différente. Le 17β-estradiol complexé au polymère de chitosan-phosphorylcholine démontre, par rapport à sa forme soluble, une plus grande aptitude à accroître le nombre de cellules hématopoïétiques ainsi que des cellules endothéliales progénitrices dérivées de la moelle osseuse in vitro. De plus, le 17β-estradiol complexé au polymère de chitosan-phosphorylcholine permet une amplification marquée des cellules endothéliales progénitrices et leur offre un support adéquat afin de favoriser la guérison vasculaire. L’ensemble de nos travaux suggère que le polymère de chitosan complexé à la phosphorylcholine en présence ou non de 17β-estradiol est une matrice compatible avec les cellules progénitrices dérivées de la moelle osseuse in vitro. Le 17β-estradiol complexé au polymère est toutefois plus efficace que sa forme soluble à promouvoir l’amplification du nombre de cellules progénitrices. Ce polymère représente un outil thérapeutique attrayant et une matrice de livraison d’agent bioactif prometteuse pour le recrutement cellulaire dans l’accélération de la guérison vasculaire.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

La mise en marché des produits issus du génie tissulaire: Une question de catégorisation?

Le génie tissulaire est un domaine interdisciplinaire qui applique les principes du génie et des sciences de la vie (notamment la science des cellules souches) dans le but de régénérer et réparer les tissus et organes lésés. En d'autres mots, plutôt que de remplacer les tissus et les organes, on les répare. La recherche en génie tissulaire est considérable et les ambitions sont grandes, notamment celle de mettre fm aux listes d'attente de dons d'organes. Le génie tissulaire a déjà commencé à livrer des produits thérapeutiques pour des applications simples, notamment la peau et le cartilage. Les questions sur la façon de réglementer les produits thérapeutiques qui sont issus du génie tissulaire sont soulevées à chaque nouveau produit. À ce jour, ces questions ont reçu peu d'attention comparativement aux questions éthiques associées aux recherches avec les cellules souches et les risques qu'engendrent les produits biologiques. Il est donc important d'examiner si le cadre normatif qui entoure la mise en marché des produits issus du génie tissulaire est approprié puisque de tels produits sont déjà disponibles sur le marché et plusieurs autres sont en voie de l'être. Notre analyse révèle que le cadre canadien actuel n'est pas approprié et le moment d'une reforme est arrivé. Les États-Unis et l'Union européenne ont chacun des approches particulières qui sont instructives. Nous avons entrepris une revue des textes réglementaires qui encadrent la mise en marché des produits issus du génie tissulaire au Canada, aux États-Unis et dans l'Union européenne et formulons quelques suggestions de réforme.

Linear block copolymers of L–lactide and 2–dimethylaminoethyl methacrylate : synthesis and properties

Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Regenerative potential of corneal endothelium from patients with fuchs endothelial corneal dystrophy

La dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD, pour l’abréviation du terme anglais « Fuchs endothelial corneal dystrophy ») est une maladie de l'endothélium cornéen. Sa pathogenèse est mal connue. Aucun traitement médical n’est efficace. Le seul traitement existant est chirurgical et consiste dans le remplacement de l’endothélium pathologique par un endothélium sain provenant de cornées de la Banque des yeux. Le traitement chirurgical, en revanche, comporte 10% de rejet immunologique. Des modèles expérimentaux sont donc nécessaires afin de mieux comprendre cette maladie ainsi que pour le développement de traitements alternatifs. Le but général de cette thèse est de développer un modèle expérimental de la FECD en utilisant le génie tissulaire. Ceci a été réalisé en trois étapes. 1) Tout d'abord, l'endothélium cornéen a été reconstruit par génie tissulaire en utilisant des cellules endothéliales en culture, provenant de patients atteints de FECD. Ce modèle a ensuite été caractérisé in vitro. Brièvement, les cellules endothéliales cornéennes FECD ont été isolées à partir de membranes de Descemet prélevées lors de greffes de cornée. Les cellules au deuxième ou troisième passages ont ensuite été ensemencées sur une cornée humaine préalablement décellularisée. Suivant 2 semaines de culture, les endothélia cornéens reconstruits FECD (n = 6) ont été évalués à l'aide d'histologie, de microscopie électronique à transmission et d’immunomarquages de différentes protéines. Les endothélia cornéens reconstruits FECD ont formé une monocouche de cellules polygonales bien adhérées à la membrane de Descemet. Les immunomarquages ont démontré la présence des protéines importantes pour la fonctionnalité de l’endothélium cornéen telles que Na+-K+/ATPase α1 et Na+/HCO3-, ainsi qu’une expression faible et uniforme de la protéine clusterine. 2) Deux techniques chirurgicales (DSAEK ; pour « Descemet stripping automated endothelial keratoplasty » et la kératoplastie pénétrante) ont été comparées pour la transplantation cornéenne dans le modèle animal félin. Les paramètres comparés incluaient les défis chirurgicaux et les résultats cliniques. La technique « DSAEK » a été difficile à effectuer dans le modèle félin. Une formation rapide de fibrine a été observée dans tous les cas DSAEK (n = 5). 3) Finalement, la fonctionnalité in vivo des endothélia cornéens reconstruits FECD a été évaluée (n = 7). Les évaluations in vivo comprenaient la transparence, la pachymétrie et la tomographie par cohérence optique. Les évaluations post-mortem incluaient la morphométrie des cellules endothéliales, la microscopie électronique à transmission et des immunomarquage de protéines liées à la fonctionnalité. Après la transplantation, la pachymétrie a progressivement diminué et la transparence a progressivement augmenté. Sept jours après la transplantation, 6 des 7 greffes étaient claires. La microscopie électronique à transmission a montré la présence de matériel fibrillaire sous-endothélial dans toutes les greffes d’endothelia reconstruits FECD. Les endothélia reconstruits exprimaient aussi des protéines Na+-K+/ATPase et Na+/HCO3-. En résumé, cette thèse démontre que les cellules endothéliales de la cornée à un stade avancé FECD peuvent être utilisées pour reconstruire un endothélium cornéen par génie tissulaire. La kératoplastie pénétrante a été démontrée comme étant la procédure la plus appropriée pour transplanter ces tissus reconstruits dans l’œil du modèle animal félin. La restauration de l'épaisseur cornéenne et de la transparence démontrent que les greffons reconstruits FECD sont fonctionnels in vivo. Ces nouveaux modèles FECD démontrent une réhabilitation des cellules FECD, permettant d’utiliser le génie tissulaire pour reconstruire des endothelia fonctionnels à partir de cellules dystrophiques. Les applications potentielles sont nombreuses, y compris des études physiopathologiques et pharmacologiques.

Cultivo primario de queratinocitos humanos sembrados en submucosa intestinal porcina

En el campo de la regeneración de piel, la ingeniería de tejidos busca superar las limitaciones asociadas con el uso de autoinjertos inmediatos, dado que la elección de una región donante en el paciente, constituye un riesgo para el mismo, además de ser insuficiente cuando la lesión es extensa. Se ha comprobado que el empleo de la submucosa del intestino delgado de cerdo (SIS) (por la sigla en inglés small intestinal submucosa), por su especial composición, como biomaterial de relleno para tratar lesiones, disminuye el dolor y la inflamación desde su primera aplicación y favorece la movilidad temprana de la región lesionada. Con el fin de determinar la utilidad de SIS, como sustituto epidérmico, en el presente estudio se desarrolló un protocolo para el cultivo primario de queratinocitos humanos, provenientes de prepucios infantiles, sobre una matriz de SIS como soporte. Se evaluó el potencial de adherencia y la capacidad de proliferación de queratinocitos sobre este sustrato.

Uso de la matriz extracelular como material para ingeniería de tejidos

Introducción: La evaluación de injertos vasculares de submucosa de intestino delgado para la regeneración de vasos sanguíneos ha producido una permeabilidad variable (0-100%) que ha sido concurrente con la variabilidad en las técnicas de fabricación. Metodología: Investigamos los efectos de fabricación en permeabilidad y regeneración en un diseño experimental de 22factorial que combino: 1) preservación (P) o remoción (R) de la capa estratum compactum del intestino, y 2) deshidratada (D) o hidratada (H), dentro de cuatro grupos de estudio (PD, RD, PH, RH). Los injertos fueron implantados en las Arterias Carótidas de porcinos (ID 4.5mm, N=4, 7d). Permeabilidad, trombogenicidad, reacción inflamatoria, vascularización, infiltración de fibroblastos, perfil de polarización de macrófagos y fuerza tensil biaxial fueron evaluadas. Resultados: Todos los injertos PD permanecieron permeables (4/4), pero tuvieron escasa vascularización e infiltración de fibroblastos. El grupo RD permaneció permeable (4/4), presentó una extensa vascularización e infiltración de fibroblastos, y el mayor número del fenotipo de macrófagos (M2) asociado a regeneración. El grupo RH presentó menor permeabilidad (3/4), una extensa vascularización e infiltración de fibroblastos, y un perfil dominante de M2. El grupo PH presentó el menor grado de permeabilidad, y a pesar de mayor infiltración celular que PD, exhibió un fenotipo de macrófagos dominante adverso. La elasticidad de los injertos R evolucionó de una manera similar a las Carótidas nativas (particularmente RD, mientras que los injertos P mantuvieron su rigidez inicial. Discusión: Concluimos que los parámetros de fabricación afectan drásticamente los resultados, siendo los injertos RD los que arrojaron mejores resultados.

Imagem por Ressonância Magnética : uma ferramenta poderosa para a Engenharia de Tecidos. Uma revisão atualizada

A Engenharia de Tecidos (ET) é uma área de investigação crescente que se direciona à criação de substitutos biológicos funcionais para vários tecidos do corpo humano. Requer condições específicas favoráveis para a regeneração de tecidos, e o resultado do tecido engenheirado deve ser avaliado objetivamente. A Imagem por Ressonância Magnética (IRM) é uma das técnicas mais promissoras para este efeito. Esta revisão discute as publicações mais recentes acerca das várias técnicas baseadas na IRM disponíveis para a avaliação de tecidos engenheirados e as presentes aplicações da IRM na ET.

Ex Vivo Construction of an Artificial Ocular Surface by Combination of Corneal Limbal Epithelial Cells and a Compressed Collagen Scaffold Containing Keratocytes

We have investigated the use of a laminin coated compressed collagen gel containing corneal fibroblasts (keratocytes) as a novel scaffold to support the growth of corneal limbal epithelial stem cells. The growth of limbal epithelial cells was compared between compressed collagen gel and a clinically proven conventional substrate, denuded amniotic membrane. Following compression of the collagen gel, encapsulated keratocytes remained viable and scanning electron microscopy showed that fibres within the compressed gel were dense, homogeneous and similar in structure to those within denuded amniotic membrane. Limbal epithelial cells were successfully expanded upon the compressed collagen resulting in stratified layers of cells containing desmosome and hemidesmosome structures. The resulting corneal constructs of both the groups shared a high degree of transparency, cell morphology and cell stratification. Similar protein expression profiles for cytokeratin 3 and cytokeratin 14 and no significant difference in cytokeratin 12 mRNA expression levels by real time PCR were also observed. This study provides the first line of evidence that a laminin coated compressed collagen gel containing keratocytes can adequately support limbal epithelial cell expansion, stratification and differentiation to a degree that is comparable to the leading conventional scaffold, denuded amniotic membrane.

Differentiation status of limbal epithelial cells cultured on intact and denuded amniotic membrane before and after air-lifting

We have investigated differences in bovine limbal epithelial cell differentiation when expanded upon intact (amniotic epithelial cells and basement membrane remaining) and denuded human amniotic membrane, a commonly used substrate in ophthalmic surgery for corneal stem cell transplantation. Ex vivo expansion of the epithelial cells, in supplemented media, continued for 2 weeks followed by 1 week under ‘air-lifting’ conditions. Before and after air-lifting the differentiated (K3/K12 positive) and undifferentiated (K14 positive) cells were quantified by immunohistochemistry, Western blotting and quantitative PCR. Limbal epithelial cells expanded upon amniotic membrane formed 4-6 stratified layers, both on intact and denuded amniotic membrane. On denuded amniotic membrane the proportion of differentiated cells remained unaltered following airlifting. Within cells grown on intact amniotic membrane, however, the number of differentiated cells increased significantly following air-lifting. These results have important implications for both basic and clinical research. Firstly, they show that bovine limbal epithelia can be used as an alternative source of cells for basic research investigating ex vivo limbal stem cells expansion. Secondly, these findings serve as a warning to clinicians that the affect of amniotic membrane on transplantable cells is not fully understood; the use of intact or denuded amniotic membrane can produce different results in terms of the amount of differentiation, once cells are exposed to the air.

Biomimetic soft matter

Biomaterials are often soft materials. There is now growing interest in designing, synthesizing and characterising soft materials that mimic the properties of biological materials such as tissue, proteins, DNA or cells. Research on biomimetic soft matter is therefore a developing theme with important emerging applications in biomedicine including tissue engineering, diagnostics, gene therapy, drug delivery and many others. There are also important basic science questions concerning the use of concepts from colloid and polymer science to understand the self-assembly of biomimetic soft materials. This issue of Soft Matter presents a selection of extremely topical articles on a diversity of biomimetic soft matter systems. I thank the contributors for this quite remarkable collection of papers, which report many fascinating discoveries and insights.

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.