Improving interfaces for nerve repair

Autologous nerve grafts are the current gold standard for the repair of peripheral nerve injuries. However, there is a need to develop an alternative to this technique, as donor-site morbidities such as neuroma formation and permanent loss of function are a few of the limitations concerned with this technique. Artificial nerve conduits have therefore emerged as an alternative for the repair of short peripheral nerve defects of less than 30 mm, however they do not surpass autologous nerve grafts clinically. To develop a nerve conduit that supports regeneration over long nerve gaps and in large diameter nerves, researchers have focused on functionalizing of the conduits by studying the components that enhance nerve regeneration such as micro/nano-topography, growth factor delivery systems, supportive cells and extracellular matrix (ECM) proteins as well as understanding the complex biological reactions that take place during peripheral nerve regeneration. This thesis presents strategies to improve peripheral nerve interfaces to better the regenerative potential by using dorsal root ganglions (DRGs) isolated from neonatal rats as an in vitro model of nerve regeneration. The work started off by investigating the usefulness of a frog foam protein Ranaspumin-2 (Rsn2) to coat biomaterials for compatibility, this lead to the discovery of temporary cell adhesion on polydimethylsiloxane (PDMS), which was investigated as a suitable tool to derive cell-sheets for nerve repair. The influence of Rsn2 anchored to specific adhesion peptide sequences, such as isoleucine-lysine-valine-alanine-valine (IKVAV), a sequence derived from laminin proven to promote cell adhesion and neurite outgrowth, was tested as a useful means to influence nerve regeneration. This approach improves the axonal outgrowth and maintains outgrowth long term. Based on the hypothesis that combinational modulation of substrate topography, stiffness and neurotrophic support, affects axonal outgrowth in whole DRGs, dissociated DRGs were used to assess if these factors similarly act at the single cell level. Rho associated protein kinase (ROCK) and myosin II inhibitors, which affect cytoskeletal contractility, were used to influence growth cone traction forces and have shown that these factors work in combination by interfering with growth cone dynamic creating a different response in axonal outgrowth at the single cell level.

Applying Mathematical Models to Study the Role of the Immune System in Chronic Myelogenous Leukemia

Although tyrosine kinase inhibitors (TKIs) such as imatinib have transformed chronic myelogenous leukemia (CML) into a chronic condition, these therapies are not curative in the majority of cases. Most patients must continue TKI therapy indefinitely, a requirement that is both expensive and that compromises a patient's quality of life. While TKIs are known to reduce leukemic cells' proliferative capacity and to induce apoptosis, their effects on leukemic stem cells, the immune system, and the microenvironment are not fully understood. A more complete understanding of their global therapeutic effects would help us to identify any limitations of TKI monotherapy and to address these issues through novel combination therapies. Mathematical models are a complementary tool to experimental and clinical data that can provide valuable insights into the underlying mechanisms of TKI therapy. Previous modeling efforts have focused on CML patients who show biphasic and triphasic exponential declines in BCR-ABL ratio during therapy. However, our patient data indicates that many patients treated with TKIs show fluctuations in BCR-ABL ratio yet are able to achieve durable remissions. To investigate these fluctuations, we construct a mathematical model that integrates CML with a patient's autologous immune response to the disease. In our model, we define an immune window, which is an intermediate range of leukemic concentrations that lead to an effective immune response against CML. While small leukemic concentrations provide insufficient stimulus, large leukemic concentrations actively suppress a patient's immune system, thus limiting it's ability to respond. Our patient data and modeling results suggest that at diagnosis, a patient's high leukemic concentration is able to suppress their immune system. TKI therapy drives the leukemic population into the immune window, allowing the patient's immune cells to expand and eventually mount an efficient response against the residual CML. This response drives the leukemic population below the immune window, causing the immune population to contract and allowing the leukemia to partially recover. The leukemia eventually reenters the immune window, thus stimulating a sequence of weaker immune responses as the two populations approach equilibrium. We hypothesize that a patient's autologous immune response to CML may explain the fluctuations in BCR-ABL ratio that are regularly seen during TKI therapy. These fluctuations may serve as a signature of a patient's individual immune response to CML. By applying our modeling framework to patient data, we are able to construct an immune profile that can then be used to propose patient-specific combination therapies aimed at further reducing a patient's leukemic burden. Our characterization of a patient's anti-leukemia immune response may be especially valuable in the study of drug resistance, treatment cessation, and combination therapy.

Adipose-derived stem cell adhesion on laminin-coated microcarriers improves commitment toward the cardiomyogenic lineage

International audience

MRI indices of functional recovery following intracerebral implantation of a human neural stem cell line in a pre-clinical model of ischaemic stroke

Stem cell therapy for ischaemic stroke is an emerging field in light of an increasing number of patients surviving with permanent disability. Several allogenic and autologous cells types are now in clinical trials with preliminary evidence of safety. Some clinical studies have reported functional improvements in some patients. After initial safety evaluation in a Phase 1 study, the conditionally immortalised human neural stem cell line CTX0E03 is currently in a Phase 2 clinical trial (PISCES-II). Previous pre-clinical studies conducted by ReNeuron Ltd, showed evidence of functional recovery in the Bilateral Asymmetry test up to 6 weeks following transplantation into rodent brain, 4 weeks after middle cerebral artery occlusion. Resting-state fMRI is increasingly used to investigate brain function in health and disease, and may also act as a predictor of recovery due to known network changes in the post-stroke recovery period. Resting-state methods have also been applied to non-human primates and rodents which have been found to have analogous resting-state networks to humans. The sensorimotor resting-state network of rodents is impaired following experimental focal ischaemia of the middle cerebral artery territory. However, the effects of stem cell implantation on brain functional networks has not previously been investigated. Prior studies assessed sensorimotor function following sub-cortical implantation of CTX0E03 cells in the rodent post-stroke brain but with no MRI assessments of functional improvements. This thesis presents research on the effect of sub-cortical implantation of CTX0E03 cells on the resting- state sensorimotor network and sensorimotor deficits in the rat following experimental stroke, using protocols based on previous work with this cell line. The work in this thesis identified functional tests of appropriate sensitivity for long-term dysfunction suitable for this laboratory, and investigated non-invasive monitoring of physiological variables required to optimize BOLD signal stability within a high-field MRI scanner. Following experimental stroke, rats demonstrated expected sensorimotor dysfunction and changes in the resting-state sensorimotor network. CTX0E03 cells did not improve post-stroke functional outcome (compared to previous studies) and with no changes in resting-state sensorimotor network activity. However, in control animals, we observed changes in functional networks due to the stereotaxic procedure. This illustrates the sensitivity of resting-state fMRI to stereotaxic procedures. We hypothesise that the damage caused by cell or vehicle implantation may have prevented functional and network recovery which has not been previously identified due to the application of different functional tests. The findings in this thesis represent one of few pre-clinical studies in resting-state fMRI network changes post-stroke and the only to date applying this technique to evaluate functional outcomes following a clinically applicable human neural stem cell treatment for ischaemic stroke. It was found that injury caused by stereotaxic injection should be taken into account when assessing the effectiveness of treatment.

Stem cells for enhancing recovery after stroke: a review

The potential application for stem cell therapy is vast, and development for use in ischaemic stroke is still in its infancy. Access to stem cells for research is contentious; however, stem cells are obtainable from both animal and human. Despite a limited understanding of their mechanisms of action, clinical trials assessing stem cells in human stroke have been performed. Trials are also underway evaluating haematopoietic precursors mobilised with granulocyte-colony stimulating factor, an approach offering an autologous means of administrating stem cells for therapeutic purposes. This review summarises current knowledge in regard to stem cells and their potential for helping improve recovery after stroke.

La conservation autologue de sang de cordon ombilical : une ouverture sur une forme émergente de «citoyenneté biologique»

La transformation du sang de cordon ombilical en une précieuse source de cellules souches a, dès le début des années 1990, donné naissance à une industrie commerciale globale de conservation faisant désormais concurrence à un large réseau de conservation public. Ce mémoire cherche à comprendre et à expliquer les soubassements socio-culturels liés à l’émergence de cette industrie, ainsi qu’à mieux cerner les enjeux éthiques et politiques qu’elle pose. En exposant en premier lieu la manière dont les institutions publiques de conservation de sang de cordon se définissent, et sont généralement définies par les comités bioéthiques, comme étant porteuses des valeurs d’altruisme et de solidarité nationale traditionnellement liées au modèle « redistributif » d’échange de sang et d’organes né au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, nous problématisons la manière innovatrice par laquelle les banques privées structurent le rapport entre les mères et leurs propres produits biologiques comme l’expression d’une reconfiguration du lien social et politique caractérisée par l’émergence de nouvelles socialisés. L’hypothèse au coeur de ce mémoire est que celles-ci peuvent être comprises comme l’aboutissant de l‘espoir collectivement partagé par les consommatrices d’améliorer leur propre condition biologique familiale, étant lui-même le fruit d’une financiarisation croissante des sciences du vivant. En analysant le discours « promissif » que représente le matériel promotionnel des banques autologues, notre objectif est alors d’identifier la manière par laquelle les multiples potentialités attribuées au sang de cordon définissent des subjectivités maternelles caractérisées par des obligations morales spécifiques.

Rôle de la qualité des tapis de cellules endométriales en co-culture autologue sur le développement embryonnaire

Introduction : La fécondation in vitro est de mieux en mieux connue et en amélioration constante, cependant les taux d’implantation et de grossesse sont encore bas (environ 35% par fécondation in vitro). Un des enjeux de l’amélioration de la fécondation in vitro est le développement embryonnaire et l’implantation. Pour cela, la co-culture des embryons sur un tapis de cellules endométriales maternelles autologues peut être utilisée pour améliorer le développement embryonnaire (taux d’embryon se développant jusqu’à J5 : blastocyste) et l’implantation. L’objectif de l’étude est d’étudier le lien entre la qualité du tapis cellulaire et le développement embryonnaire. Matériel et méthodes : Cette étude est une sous analyse de l’essai clinique randomisé en double aveugle OvoGen, comparant le taux de blastulation et de grossesse dans deux groupes randomisés : le groupe étude, dans lequel les embryons se développent sur un tapis cellulaire endométrial maternel et le groupe contrôle, dans lequel les embryons sont cultivés dans du milieu conventionnel. Nous avons analysé la qualité des tapis cellulaire du groupe étude (confluence des cellules, taux de cellules épithéliales et vitalité des cellules stromales) par rapport au développement embryonnaire et au taux de grossesse. Résultats : 50 tapis de cellules endométriales maternelles et 291 embryons sur les puits ont été analysés de 2012 à 2015 à la clinique ovo (Montréal, Québec). La qualité des embryons n’était pas changée par la qualité des tapis (p=0,65 pour la confluence, p=0,25 pour le taux de glande et p=0,92 pour la viabilité des cellules). En revanche, le taux de grossesse augmentait quand la confluence diminuait (p=0,022) et lorsque la viabilité des cellules stromales augmentait (p=0,001). De plus, la qualité des tapis était dépendante de la date de la biopsie : la biopsie faite à J7 après l’ovulation permettait une meilleure qualité de puits (confluence augmentée, p=0,045, taux de glande augmenté p=0,004 et viabilité stromales augmentée p=0,001) que la biopsie faite à J5 post ovulation. Discussion : Aucune des nombreuses études sur la co-culture ne porte sur la qualité des tapis cellulaire. Il est intéressant de noter que le taux de grossesse augmente avec la diminution de la confluence et l’augmentation de la viabilité des cellules stromales dans les puits contenant les embryons transférés. Comme il a déjà été démontré, (1)le jour de la biopsie endométriale influe sur la qualité du tapis cellulaire en coculture et pour que celui-ci soit de bonne qualité, il faut que l’endomètre soit réceptif (après J19 du cycle). Conclusion : Nous avons montré que la qualité des tapis cellulaires dépendait du jour de la biopsie d’endomètre et que cette qualité pouvait influencer le bénéfice de la co-culture. Il serait intéressant d’étudier la réceptivité de l’endomètre au moment de la biopsie avant utilisation des cellules en co-culture pour optimiser la qualité du tapis cellulaire.

La conservation autologue de sang de cordon ombilical : une ouverture sur une forme émergente de «citoyenneté biologique»

La transformation du sang de cordon ombilical en une précieuse source de cellules souches a, dès le début des années 1990, donné naissance à une industrie commerciale globale de conservation faisant désormais concurrence à un large réseau de conservation public. Ce mémoire cherche à comprendre et à expliquer les soubassements socio-culturels liés à l’émergence de cette industrie, ainsi qu’à mieux cerner les enjeux éthiques et politiques qu’elle pose. En exposant en premier lieu la manière dont les institutions publiques de conservation de sang de cordon se définissent, et sont généralement définies par les comités bioéthiques, comme étant porteuses des valeurs d’altruisme et de solidarité nationale traditionnellement liées au modèle « redistributif » d’échange de sang et d’organes né au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, nous problématisons la manière innovatrice par laquelle les banques privées structurent le rapport entre les mères et leurs propres produits biologiques comme l’expression d’une reconfiguration du lien social et politique caractérisée par l’émergence de nouvelles socialisés. L’hypothèse au coeur de ce mémoire est que celles-ci peuvent être comprises comme l’aboutissant de l‘espoir collectivement partagé par les consommatrices d’améliorer leur propre condition biologique familiale, étant lui-même le fruit d’une financiarisation croissante des sciences du vivant. En analysant le discours « promissif » que représente le matériel promotionnel des banques autologues, notre objectif est alors d’identifier la manière par laquelle les multiples potentialités attribuées au sang de cordon définissent des subjectivités maternelles caractérisées par des obligations morales spécifiques.

Rôle de la qualité des tapis de cellules endométriales en co-culture autologue sur le développement embryonnaire

Introduction : La fécondation in vitro est de mieux en mieux connue et en amélioration constante, cependant les taux d’implantation et de grossesse sont encore bas (environ 35% par fécondation in vitro). Un des enjeux de l’amélioration de la fécondation in vitro est le développement embryonnaire et l’implantation. Pour cela, la co-culture des embryons sur un tapis de cellules endométriales maternelles autologues peut être utilisée pour améliorer le développement embryonnaire (taux d’embryon se développant jusqu’à J5 : blastocyste) et l’implantation. L’objectif de l’étude est d’étudier le lien entre la qualité du tapis cellulaire et le développement embryonnaire. Matériel et méthodes : Cette étude est une sous analyse de l’essai clinique randomisé en double aveugle OvoGen, comparant le taux de blastulation et de grossesse dans deux groupes randomisés : le groupe étude, dans lequel les embryons se développent sur un tapis cellulaire endométrial maternel et le groupe contrôle, dans lequel les embryons sont cultivés dans du milieu conventionnel. Nous avons analysé la qualité des tapis cellulaire du groupe étude (confluence des cellules, taux de cellules épithéliales et vitalité des cellules stromales) par rapport au développement embryonnaire et au taux de grossesse. Résultats : 50 tapis de cellules endométriales maternelles et 291 embryons sur les puits ont été analysés de 2012 à 2015 à la clinique ovo (Montréal, Québec). La qualité des embryons n’était pas changée par la qualité des tapis (p=0,65 pour la confluence, p=0,25 pour le taux de glande et p=0,92 pour la viabilité des cellules). En revanche, le taux de grossesse augmentait quand la confluence diminuait (p=0,022) et lorsque la viabilité des cellules stromales augmentait (p=0,001). De plus, la qualité des tapis était dépendante de la date de la biopsie : la biopsie faite à J7 après l’ovulation permettait une meilleure qualité de puits (confluence augmentée, p=0,045, taux de glande augmenté p=0,004 et viabilité stromales augmentée p=0,001) que la biopsie faite à J5 post ovulation. Discussion : Aucune des nombreuses études sur la co-culture ne porte sur la qualité des tapis cellulaire. Il est intéressant de noter que le taux de grossesse augmente avec la diminution de la confluence et l’augmentation de la viabilité des cellules stromales dans les puits contenant les embryons transférés. Comme il a déjà été démontré, (1)le jour de la biopsie endométriale influe sur la qualité du tapis cellulaire en coculture et pour que celui-ci soit de bonne qualité, il faut que l’endomètre soit réceptif (après J19 du cycle). Conclusion : Nous avons montré que la qualité des tapis cellulaires dépendait du jour de la biopsie d’endomètre et que cette qualité pouvait influencer le bénéfice de la co-culture. Il serait intéressant d’étudier la réceptivité de l’endomètre au moment de la biopsie avant utilisation des cellules en co-culture pour optimiser la qualité du tapis cellulaire.

Factores asociados a transfusión sanguínea en el manejo quirúrgico del canal lumbar estrecho en la Fundación Santa Fe de Bogotá 2003 - 2013

Introduccion: El canal lumbar estrecho es un motivo de consulta frecuente en el servicio de columna de la Fundación Santa Fe de Bogotá. Derivado del tratamiento quirurgico se pueden generar múltiples complicaciones, entre las que se encuentra la transfusión sanguínea. Objetivo: Identificar los factores sociodemográficos, antecedentes personales y factores quirúrgicos asociados a transfusión sanguínea en cirugía canal lumbar estrecho en la Fundación Santa Fe de Bogotá 2003- 2013. Materiales y métodos: Se aplicó en diseño de estudio observacional analítico transversal. Se incluyeron 367 pacientes sometidos a cirugía de canal lumbar estrecho a quienes se les analizaron variables de antecedentes personales, características sociodemograficas y factores quirúrgicos. Resultados: La mediana de la edad fue de 57 años y la mayoría de pacientes fueron mujeres (55,6%). La mediana del Índice de Masa Corporal (IMC) fue de 24,9 clasificado como normal. Entre los antecedentes patológicos, la hipertensión arterial fue el más común (37,3%). La mayoría de pacientes (59,1%) presentaron clasificación ASA de II. El tipo de cirugía más prevalente fue el de descompresión (55,6%). En el 79,8% de los pacientes se intervinieron 2 niveles. Se realizó transfusión de glóbulos rojos en 26 pacientes correspondiente a 7,1% del total. En la mayoría de procedimientos quirúrgicos (42,5%) el sangrado fue clasificado como moderado (50-500 ml). En el modelo explicativo transfusión sanguínea en cirugía de canal lumbar estrecho se incluyen: antecedente de cardiopatía (OR 4,68, P 0,034, IC 1,12 – 19,44), Sangrado intraoperatorio >500ml (OR 6,74, p 0,001, 2,09 – 21,74) y >2 niveles intervenidos (OR 3,97, p 0,023, IC 1,20 – 13,09). Conclusión: Como factores asociados a la transfusión sanguínea en el manejo quirúrgico del canal lumbar estrecho a partir de la experiencia de 10 años en la Fundación Santa Fe de Bogotá se encontraron: enfermedad cardiaca, sangrado intraoperatorio mayor de 500ml y más de dos niveles intervenidos.

Validation of a new method for human nerve decellularization: toward a new tool in peripheral nerve reconstructive surgery.

Defects of the peripheral nervous system are extremely frequent in trauma and surgeries and have high socioeconomic costs. In case of peripheral nerve injury, the first approach is primary neurorrhaphy, which is direct nerve repair with epineural microsutures of the two stumps. However, this is not feasible in case of stump retraction or in case of tissue loss (gap > 2 cm), where the main surgical options are autologous grafts, allogenic grafts, or nerve conduits. While the gold standard is the autograft, it has disadvantages related to its harvesting, with an inevitable donor site morbidity and functional deficit. Fresh nerve allografts have therefore become a viable alternative option, but they require immunosuppression, which is often contraindicated. Acellular Nerve Allografts (ANA) represent a valid alternative, they do not need immunosuppression and appear to be safe and effective based on recent studies. The purpose of this study is to propose and develop an innovative method of nerve decellularization (Rizzoli method), conforming to cleanroom requirements in order to perform the direct tissue manipulation step and the nerve decellularization process within five hours, so as to accelerate the detachment of myelin and cellular debris, without detrimental effects on nerve architecture. In this study, the safety and the efficacy of the new method are evaluated in vitro and in vivo by histological, immunohistochemical, and histomorphometric studies in rabbits and humans. The new method is rapid, safe, and cheaper if compared with available commercial ANAs. The present study shows that the method, previously optimized in vitro and in vivo on animal model presented by our group, can be applied on human nerve samples. This work represents the first step in providing a novel, safe, and inexpensive tool for use by European tissue banks to democratize the use of nerve tissue transplantation for nerve injury reconstruction.