A safety and feasibility study of cell therapy in dilated cardiomyopathy

The aim of this study was to determine if bone marrow mononuclear cell (BMMC) transplantation is safe for moderate to severe idiopathic dilated cardiomyopathy (IDC). Clinical trials have shown that this procedure is safe and effective for ischemic patients, but little information is available regarding non-ischemic patients. Twenty-four patients with IDC, optimized therapy, age 46 ± 11.6 years, 17 males, NYHA classes II-IV, and left ventricular ejection fraction <35% were enrolled in the study. Clinical evaluation at baseline and 6 months after stem cell therapy to assess heart function included echocardiogram, magnetic resonance imaging, cardiopulmonary test, Minnesota Quality of Life Questionnaire, and NYHA classification. After cell transplantation 1 patient showed a transient increase in enzyme levels and 2 patients presented arrhythmias that were reversed within 72 h. Four patients died during follow-up, between 6 and 12 weeks after therapy. Clinical evaluation showed improvement in most patients as reflected by statistically significant decreases in Minnesota Quality of Life Questionnaire (63 ± 17.9 baseline vs 28.8 ± 16.75 at 6 months) and in class III-IV NYHA patients (18/24 baseline vs 2/20 at 6 months). Cardiopulmonary exercise tests demonstrated increased peak oxygen consumption (12.2 ± 2.4 at baseline vs 15.8 ± 7.1 mL·kg-1·min-1 at 6 months) and walked distance (377.2 ± 85.4 vs 444.1 ± 77.9 m at 6 months) in the 6-min walk test, which was not accompanied by increased left ventricular ejection fraction. Our findings indicate that BMMC therapy in IDC patients with severe ventricular dysfunction is feasible and that larger, randomized and placebo-controlled trials are warranted.

Identification of renin progenitors in the mouse bone marrow that give rise to B-cell leukaemia

cell of origin and triggering events for leukaemia are mostly unknown. Here we show that the bone marrow contains a progenitor that expresses renin throughout development and possesses a B-lymphocyte pedigree. This cell requires RBP-J to differentiate. Deletion of RBP-J in these renin-expressing progenitors enriches the precursor B-cell gene programme and constrains lymphocyte differentiation, facilitated by H3K4me3 activating marks in genes that control the pre-B stage. Mutant cells undergo neoplastic transformation, and mice develop a highly penetrant B-cell leukaemia with multi-organ infiltration and early death. These reninexpressing cells appear uniquely vulnerable as other conditional models of RBP-J deletion do not result in leukaemia. The discovery of these unique renin progenitors in the bone marrow and the model of leukaemia described herein may enhance our understanding of normal and neoplastic haematopoiesis.

Identification de facteurs nucléaires modifiant l'activité des cellules souches hématopoïétiques

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont rares, mais indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang, un tissu en constant renouvellement. Deux caractéristiques principales les définissent; la propriété d’auto-renouvellement (AR), ou la capacité de préserver leur identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, ce potentiel de différentiation leur permettant de générer toutes les lignée hématopoïétiques. De par leurs attributs, les CSH sont utilisée en thérapie cellulaire dans le domaine de la transplantation. Une organisation tissulaire hiérarchique est aussi préservée dans la leucémie, ou cancer du sang, une masse tumorale hétérogène devant être maintenue par une fraction de cellules au potentiel prolifératif illimité, les cellules souches leucémiques (CSL). Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à explorer les bases moléculaires de l’AR, encore mal définies. Certains membres de la famille des facteurs de transcription à homéodomaine HOX sont impliqués dans la régulation de l’hématopoïèse normale, et leur dérégulation peut contribuer à la transformation leucémique. En particulier, la surexpression du gène Hoxb4 dans les CSH influence leur destin cellulaire, favorisant des divisions d’auto-renouvellement et leur expansion en culture et in vivo. En général, les CSH s’épuisent rapidement lorsque maintenue hors de leur niche ex vivo. Différents facteurs interagissent avec les HOX et modulent leur liaison à l’ADN, dont la famille des protéines TALE (Three Amino acid Loop Extension), comme MEIS1 et PBX1. En utilisant une stratégie de surexpression combinée de Hoxb4 et d’un anti-sens de Pbx1 dans les CSH, générant ainsi des cellules Hoxb4hiPbx1lo, il est possible de majorer encore d’avantage leur potentiel d’AR et leur expansion in vitro. Les CSH Hoxb4hiPbx1lo demeurent fonctionnellement intactes malgré une modulation extrême de leur destin cellulaire en culture. Les niveaux d’expressions de facteurs nucléaires, seules ou en combinaison, peuvent donc s’avérer des déterminants majeurs du destin des CSH. Afin d’identifier d’autres facteurs nucléaires potentiellement impliqués dans le processus d’AR des CSH, une stratégie permettant d’évaluer simultanément plusieurs gènes candidats a été élaborée. Les progrès réalisés en termes de purification des CSH et de leur culture en micro-puits ont facilité la mise au point d’un crible en RNAi (interférence de l’ARN), mesurant l’impact fonctionnel d’une diminution des niveaux de transcrits d’un gène cible sur l’activité des CSH. Les candidats sélectionnés pour cette étude font partie du grand groupe des modificateurs de la chromatine, plus précisément la famille des histones déméthylases (HDM) contenant un domaine catalytique Jumonji. Ce choix repose sur la fonction régulatrice de plusieurs membres de complexes méthyl-transférases sur l’AR des CSH, dont l’histone méthyl-transférases MLL (Mixed Lineage Leukemia). Cette stratégie a aussi été utilisée dans le laboratoire pour étudier le rôle de facteurs d’asymétrie sur le destin des CSH, en collaboration. Ces études ont permis d’identifier à la fois des régulateurs positifs et négatifs de l’activité des CSH. Entre autre, une diminution de l’expression du gène codant pour JARID1B, une HDM de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4), augmente l’activité des CSH et s’accompagne d’une activation des gènes Hox. En conclusion, divers déterminants nucléaires, dont les facteurs de transcription et les modificateurs de la chromatine peuvent influencer le destin des CSH. Les mécanismes sous-jacents et l’identification d’autres modulateurs de l’AR demeurent des voies à explorer, pouvant contribuer éventuellement aux stratégies d’expansion des CSH ex vivo, et l’identification de cibles thérapeutiques contre les CSL. Mots-clés : cellules souches hématopoïétiques, Hoxb4, Pbx1, auto-renouvellement, histone déméthylases, RNAi

Effet de la surexpression du gène Hoxb4 sur la prolifération homéostatique des cellules T mémoires

Les cellules T mémoires (Tm) protègent l’organisme contre les réinfections de pathogènes qu’il a déjà combattu. Les Tm possèdent plusieurs propriétés en commun avec les cellules souches hématopoïétiques (CSH), notamment la capacité de se différencier, de s’auto-renouveler et de maintenir une population relativement constante au sein de l’organisme via des mécanismes homéostatiques. Il a été démontré que Hoxb4, un membre de la famille des facteurs de transcription Hox, était capable d’induire l’expansion des CSH in vivo et in vitro de façon rapide. Au vu de ces parallèles, nous avons posé l’hypothèse que la surexpression de Hoxb4 pourrait induire l’expansion de populations de Tm. Nous avons analysé les populations de Tm et lymphocytes T naïfs (Tn) dans les organes lymphoïdes de souris transgéniques surexprimant Hoxb4 et les avons comparées à des souris de type sauvage (wt). Alors que la fréquence des cellules T matures Hoxb4 diminuait avec l’âge, leur phénotype ainsi que leur viabilité demeuraient inchangés. Ensuite, nous avons procédé à des transplantations en compétition de Tm (CD4+CD44hi) Hoxb4 et wt chez des hôtes dépourvus de lymphocytes T (CD3-/-) dans le but d’évaluer leur contribution à la reconstitution du compartiment T après 2 mois. Au final, les Tm wt avait contribué un peu plus que les Tm Hoxb4 à la reconstitution (~60%). Des analyses fonctionnelles et phénotypiques ont montré que les Tm Hoxb4 possédaient une fonctionnalité normale, mais se distinguaient des Tm wt par la présence d’une faible population qui présentait un phénotype « mémoire central » (Tcm), conférant habituellement une longévité accrue. Les cellules des ganglions lymphatiques totaux des hôtes furent transplantées de façon sérielle chez trois générations de nouveaux hôtes. Le phénotype Tcm observés chez les Tm Hoxb4 était récapitulé chez les hôtes secondaires uniquement. Les ratios sont demeurés en faveur des Tm wt lors des deux transplantations suivantes, mais les Tm Hoxb4 ont commencé à montrer un avantage compétitif chez certains hôtes quaternaires. Une transplantation en compétition à court terme de Tm Hoxb4 et wt marqués avec un marqueur cytoplasmique ont démontré la présence chez les Tm Hoxb4 seulement d’une faible population CD62Lhi proliférant lentement. Ainsi, l’expansion préférentielle de Tcm CD4 par le biais d’une sélection ou d’une différenciation induite par la surexpression de Hoxb4 pourrait potentiellement leur permettre de maintenir un état de quiescence leur permettant de persister plus longtemps suite à des transplantations sérielles.

Le fragment LG3 du perlécan : un nouveau régulateur de remodelage vasculaire en transplantation

L’apoptose endothéliale initie le processus menant au remodelage vasculaire et au développement de la néointima dans la vasculopathie du greffon. La formation de néointima résulte de l’accumulation de leucocytes, de matrice extracellulaire et de cellules positives pour l’actine musculaire lisse alpha (αSMA+) dans l’intima des artères, artérioles et capillaires du greffon. Les cellules αSMA+ dans la néointima sont des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) dérivées du donneur ainsi que des cellules souches dérivées du receveur, dont des cellules souches mésenchymateuses (CSM). L’acquisition d’un phénotype anti-apoptotique chez ces cellules est déterminante pour le développement de la néointima. Le laboratoire de Dre Hébert a démontré que les cellules endothéliales (CE) apoptotiques libèrent des médiateurs induisant une résistance à l’apoptose chez les CMLV et les fibroblastes. Notamment, les CE apoptotiques relâchent la cathepsine L qui clive le perlécan et ainsi libère un fragment C-terminal correspondant au troisième motif laminine G du domaine V du perlécan (LG3). Le LG3 est anti-apoptotique pour les fibroblastes. Nous avons donc émis l’hypothèse que le LG3 est un des médiateurs clés libéré par les CE apoptotiques favorisant le développement de la néointima via l’induction d’un phénotype anti-apoptotique chez les cellules néointimales αSMA+. Nous avons démontré que les médiateurs libérés par les CE apoptotiques induisent un phénotype anti-apoptotique chez les CSM dépendant de l’activation de la voie ERK1/2. De plus, le LG3 active la voie ERK1/2 via son interaction avec les intégrines beta 1 et induit une réponse anti-apoptotique chez ces cellules. Cependant l’activation de ERK1/2 par le LG3 est plus faible en comparaison de son activation par le milieu conditionné par des CE apoptotiques. Nos résultats suggèrent que les CE apoptotiques libèrent aussi de l’EGF qui agit de façon paracrine sur les CSM en coopération avec le LG3 pour induire un phénotype anti-apoptotique chez les CSM. Nous avons poursuivi l’étude de l’effet du LG3 in vivo sur le remodelage vasculaire en transplantation. Nous avons pour cela développé un modèle murin de rejet vasculaire qui consiste en une transplantation aortique entre des souris alloincompatibles. Nous avons ensuite injecté du LG3 chez les souris receveuses en post-transplantation. Nous avons observé dans ce modèle que des niveaux augmentés de LG3 sérique augmentent la formation de néointima, favorisent l’accumulation de cellules néointimales αSMA+ et diminuent le nombre de cellules CD31+ au niveau du greffon aortique. Parallèlement nous avons vérifié que le LG3 induit aussi un phénotype anti-apoptotique chez les CMLV et nous avons démontré un nouvel effet du LG3, soit une activité pro-migratoire, qui dépend de l’activation de la voie ERK1/2 chez les CMLV. Nous avons complété cette étude par l’analyse des niveaux de LG3 sérique dans une cohorte de patients receveurs d’allogreffe rénale. Nous avons observé chez ces patients, une association entre des niveaux élevés de LG3 sérique et un rejet vasculaire. Le LG3 contribue à la formation de néointima par son activité pro-migratoire et pro-survie chez les cellules néointimales et aussi de par son activité angiostatique. Nos résultats suggèrent que le LG3 est un nouveau médiateur important dans le remodelage vasculaire en transplantation

Modélisation de réseaux d'interactions des microARN et analyse et validation expérimentale de leurs boucles minimales avec des facteurs de transcription

Les microARN (miARN) sont de petits ARN non-codants qui répriment la traduction de leurs gènes cibles par hybridation à leur ARN messager (ARNm). L'identification de cibles biologiquement actives de miARN est cruciale afin de mieux comprendre leurs rôles. Ce problème est cependant difficile parce que leurs sites ne sont définis que par sept nucléotides. Dans cette thèse je montre qu'il est possible de modéliser certains aspects des miARN afin d'identifier leurs cibles biologiquement actives à travers deux modélisations d'un aspect des miARN. La première modélisation s'intéresse aux aspects de la régulation des miARN par l'identification de boucles de régulation entre des miARN et des facteurs de transcription (FT). Cette modélisation a permis, notamment, d'identifier plus de 700 boucles de régulation miARN/FT, conservées entre l'humain et la souris. Les résultats de cette modélisation ont permis, en particulier, d'identifier deux boucles d'auto-régulation entre LMO2 et les miARN miR-223 et miR-363. Des expériences de transplantation de cellules souches hématopoïétiques et de progéniteurs hématopoïétiques ont ensuite permis d'assigner à ces deux miARN un rôle dans la détermination du destin cellulaire hématopoïétique. La deuxième modélisation s'intéresse directement aux interactions des miARN avec les ARNm afin de déterminer les cibles des miARN. Ces travaux ont permis la mise au point d'une méthode simple de prédiction de cibles de miARN dont les performances sont meilleures que les outils courant. Cette modélisation a aussi permis de mettre en lumière certaines conséquences insoupçonnées de l'effet des miARN, telle que la spécificité des cibles de miARN au contexte cellulaire et l'effet de saturation de certains ARNm par les miARN. Cette méthode peut également être utilisée pour identifier des ARNm dont la surexpression fait augmenter un autre ARNm par l'entremise de miARN partagés et dont les effets sur les ARNm non ciblés seraient minimaux.

Immune potential and differentiation of equine induced pluripotent stem cells (eiPSC)

Induced pluripotent stem cells (iPSC) have the capacity to self renew and differentiate into a myriad of cell types making them potential candidates for cell therapy and regenerative medicine. The goal of this thesis was to determine the characteristics of equine iPSC (eiPSC) that can be harnessed for potential use in veterinary regenerative medicine. Trauma to a horse’s limb often leads to the development of a chronic non-healing wound that lacks a keratinocyte cover, vital to healing. Thus, the overall hypothesis of this thesis was that eiPSC might offer a solution for providing wound coverage for such problematic wounds. Prior to considering eiPSC for clinical applications, their immunogenicity must be studied to ensure that the transplanted cells will be accepted and integrate into host tissues. The first objective of this thesis was to determine the immune response to eiPSC. To investigate the immunogenicity of eiPSC, the expression of major histocompatibility complex (MHC) molecules by the selected lines was determined, then the cells were used in an intradermal transplantation model developed for this study. While transplantation of allogeneic, undifferentiated eiPSC elicited a moderate cellular response in experimental horses, it did not cause acute rejection. This strategy enabled the selection of weakly immunogenic eiPSC lines for subsequent differentiation into lineages of therapeutic importance. Equine iPSC offer a potential solution to deficient epithelial coverage by providing a keratinocyte graft with the ability to differentiate into other accessory structures of the epidermis. The second objective of this thesis was to develop a protocol for the differentiation of eiPSC into a keratinocyte lineage. The protocol was shown to be highly efficient at inducing the anticipated phenotype within 30 days. Indeed, the eiPSC derived vi keratinocytes (eiPSC-KC) showed both morphologic and functional characteristics of primary equine keratinocytes (PEK). Moreover, the proliferative capacity of eiPSC-KC was superior while the migratory capacity, measured as the ability to epithelialize in vitro wounds, was comparable to that of PEK, suggesting exciting potential for grafting onto in vivo wound models. In conclusion, equine iPSC-derived keratinocytes exhibit features that are promising to the development of a stem cell-based skin construct with the potential to fully regenerate lost or damaged skin in horses. However, since eiPSC do not fully escape immune surveillance despite low MHC expression, strategies to improve engraftment of iPSC derivatives must be pursued.

Effet du stress prolifératif sur la fonction des cellules souches hématopoïétiques : rôles des gènes Scl, E2A et Heb

Le système hématopoïétique est un tissu en constant renouvellement et les cellules souches hématopoïétiques (CSHs) sont indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang. Deux fonctions définissent les CSHs; la propriété d’auto-renouvellement, soit la capacité de préserver l’identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, le potentiel de différenciation permettant de générer toutes les lignées hématopoïétiques. Chez l’adulte, la majorité des CSHs sont quiescentes et l’altération de cet état corrèle avec une diminution du potentiel de reconstitution des CSHs, suggérant que la quiescence protège les fonctions des CSHs. La quiescence est un état réversible et dynamique et les réseaux génétiques le contrôlant restent peu connus. Un nombre croissant d’évidences suggère que si à l’état d’homéostasie il y a une certaine redondance entre les gènes impliqués dans ces réseaux de contrôle, leurs rôles spécifiques sont révélés en situation de stress. La famille des bHLHs (basic helix-loop-helix) inclue différentes classes des protéines dont ceux qui sont tissu-spécifiques comme SCL, et les protéines E, comme E12/E47 et HEB. Certains bHLHs sont proposés êtres important pour la fonction des cellules souches, mais cela ne fait pas l’unanimité, car selon le contexte cellulaire, il y a redondance entre ces facteurs. La question reste donc entière, y a-t-il un rôle redondant entre les bHLHs d’une même classe pour la fonction à long-terme des CSHs? Les travaux présentés dans cette thèse visaient dans un premier temps à explorer le lien encore mal compris entre la quiescence et la fonction des CSHs en mesurant leurs facultés suite à un stress prolifératif intense et dans un deuxième temps, investiguer l’importance et la spécificité de trois gènes pour la fonction des CSHs adultes, soit Scl/Tal1, E2a/Tcf3 et Heb/Tcf12. Pour répondre à ces questions, une approche cellulaire (stress prolifératif) a été combinée avec une approche génétique (invalidation génique). Plus précisément, la résistance des CSHs au stress prolifératif a été étudiée en utilisant deux tests fonctionnels quantitatifs optimisés, soit un traitement basé sur le 5-fluorouracil, une drogue de chimiothérapie, et la transplantation sérielle en nombre limite. Dans la mesure où la fonction d’un réseau génique ne peut être révélée que par une perturbation intrinsèque, trois modèles de souris, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/- ont été utilisés. Ceci a permis de révéler que l’adaptation des CSHs au stress prolifératif et le retour à l’équilibre est strictement contrôlé par les niveaux de Scl, lesquels règlent le métabolisme cellulaire des CSHs en maintenant l’expression de gènes ribosomaux à un niveau basal. D’autre part, bien que les composantes du réseau puissent paraître redondants à l’équilibre, mes travaux montrent qu’en situation de stress prolifératif, les niveaux de Heb restreignent la prolifération excessive des CSHs en induisant la sénescence et que cette fonction ne peut pas être compensée par E2a. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les CSHs peuvent tolérer un stress prolifératif intense ainsi que des dommages à l’ADN non-réparés, tout en maintenant leur capacité de reconstituer l’hématopoïèse à long-terme. Cela implique cependant que leur métabolisme revienne au niveau de base, soit celui trouvé à l’état d’homéostasie. Par contre, avec l’augmentation du nombre de division cellulaire les CSHs atteignent éventuellement une limite d’expansion et entrent en sénescence.

MicroRNAs Modulate Hematopoietic Lineage Differentiation

MicroRNAs (miRNAs), an abundant class of ~22 nucleotide non-coding RNAs, are thought to play an important regulatory role in animal and plant development at the posttranscriptional level. Many miRNAs cloned from mouse bone marrow cells are differentially regulated in various hematopoietic lineages, suggesting that they might influence hematopoietic lineage differentiation. Some human miRNAs are linked to leukemias: the miR-15a/miR-16 locus is frequently deleted or down-regulated in patients with B-cell chronic lymphocytic leukemia and miR-142 is at a translocation site found in a case of aggressive B-cell leukemia. miR-181, a miRNA upregulated only in the B cell lineage of mouse bone marrow cells, promotes B cell differentiation and inhibits production of CD8⁺ T cells when expressed in hematopoietic stem/progenitor cells. In contrast miR-142s inhibits production of both CD4⁺ and CD8⁺ T cells and does not affect B cells. Collectively, these results indicate that microRNAs are components of the molecular circuitry controlling mouse hematopoiesis and suggest that other microRNAs have similar regulatory roles during other facets of vertebrate development.

A novel alternative to cryopreservation for the short-term storage of stem cells for use in cell therapy using alginate encapsulation

Efficient transport of stem/progenitor cells without affecting their survival and function is a key factor in any practical cell-based therapy. However, the current approach using liquid nitrogen for the transfer of stem cells requires a short delivery time window is technically challenging and financially expensive. The present study aims to use semipermeable alginate hydrogels (crosslinked by strontium) to encapsulate, store, and release stem cells, to replace the conventional cryopreservation method for the transport of therapeutic cells within world-wide distribution time frame. Human mesenchymal stem cell (hMSC) and mouse embryonic stem cells (mESCs) were successfully stored inside alginate hydrogels for 5 days under ambient conditions in an air-tight environment (sealed cryovial). Cell viability, of the cells extracted from alginate gel, gave 74% (mESC) and 80% (hMSC) survival rates, which compared favorably to cryopreservation. More importantly, the subsequent proliferation rate and detection of common stem cell markers (both in mRNA and protein level) from hMSCs and mESCs retrieved from alginate hydrogels were also comparable to (if not better than) results gained following cryopreservation. In conclusion, this new and simple application of alginate hydrogel encapsulation may offer a cheap and robust alternative to cryopreservation for the transport and storage of stem cells for both clinical and research purposes.

Neural stem cells and cell replacement therapy: making the right cells

The past few years have seen major advances in the field of NSC (neural stem cell) research with increasing emphasis towards its application in cell-replacement therapy for neurological disorders. However, the clinical application of NSCs will remain largely unfeasible until a comprehensive understanding of the cellular and molecular mechanisms of NSC fate specification is achieved. With this understanding will come an increased possibility to exploit the potential of stem cells in order to manufacture transplantable NSCs able to provide a safe and effective therapy for previously untreatable neurological disorders. Since the pathology of each of these disorders is determined by the loss or damage of a specific neural cell population, it may be necessary to generate a range of NSCs able to replace specific neurons or glia rather than generating a generic NSC population. Currently, a diverse range of strategies is being investigated with this goal in mind. In this review, we focus on the relationship between NSC specification and differentiation and discuss how this information may be used to direct NSCs towards a particular fate.

The secretome of alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells modulates corneal epithelial cell proliferation

Limbal epithelial stem cells may ameliorate limbal stem cell deficiency through secretion of therapeutic proteins, delivered to the cornea in a controlled manner using hydrogels. In the present study the secretome of alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells is investigated. Conditioned medium was generated from limbal epithelial stem cells encapsulated in 1.2% (w/v) calcium alginate gels. Conditioned medium proteins separated by 1-D gel electrophoresis were visualized by silver staining. Proteins of interest including secreted protein acidic and rich in cysteine, profilin-1, and galectin-1 were identified by immunoblotting. The effect of conditioned medium (from alginate-encapsulated limbal epithelial stem cells) on corneal epithelial cell proliferation was quantified and shown to significantly inhibit (P

Interaction of adult human neural crest-derived stem cells with a nanoporous titanium surface is sufficient to induce their osteogenic differentiation

Osteogenic differentiation of various adult stem cell populations such as neural crest-derived stem cells is of great interest in the context of bone regeneration. Ideally, exogenous differentiation should mimic an endogenous differentiation process, which is partly mediated by topological cues. To elucidate the osteoinductive potential of porous substrates with different pore diameters (30 nm, 100 nm), human neural crest-derived stem cells isolated from the inferior nasal turbinate were cultivated on the surface of nanoporous titanium covered membranes without additional chemical or biological osteoinductive cues. As controls, flat titanium without any topological features and osteogenic medium was used. Cultivation of human neural crest-derived stem cells on 30 nm pores resulted in osteogenic differentiation as demonstrated by alkaline phosphatase activity after seven days as well as by calcium deposition after 3 weeks of cultivation. In contrast, cultivation on flat titanium and on membranes equipped with 100 nm pores was not sufficient to induce osteogenic differentiation. Moreover, we demonstrate an increase of osteogenic transcripts including Osterix, Osteocalcin and up-regulation of Integrin β1 and α2 in the 30 nm pore approach only. Thus, transplantation of stem cells pre-cultivated on nanostructured implants might improve the clinical outcome by support of the graft adherence and acceleration of the regeneration process.

Controversial role of toll-like receptor 4 in adult stem cells

Adult or somatic stem cells are tissue-resident cells with the ability to proliferate, exhibit self-maintenance as well as to generate new cells with the principal phenotypes of the tissue in response to injury or disease. Due to their easy accessibility and their potential use in regenerative medicine, adult stem cells raise the hope for future personalisable therapies. After infection or during injury, they are exposed to broad range of pathogen or damage-associated molecules leading to changes in their proliferation, migration and differentiation. The sensing of such damage and infection signals is mostly achieved by Toll-Like Receptors (TLRs) with Toll-like receptor 4 being responsible for recognition of bacterial lipopolysaccharides (LPS) and endogenous danger-associated molecular patterns (DAMPs). In this review, we examine the current state of knowledge on the TLR4-mediated signalling in different adult stem cell populations. Specifically, we elaborate on the role of TLR4 and its ligands on proliferation, differentiation and migration of mesenchymal stem cells, hematopoietic stem cells as well as neural stem cells. Finally, we discuss conceptual and technical pitfalls in investigation of TLR4 signalling in stem cells.

Translational research and therapeutic applications of neural crest-derived stem cells in regenerative periodontology

Regeneration of periodontal tissues aims to utilize tissue engineering techniques to restore lost periodontal tissues including the cementum, periodontal ligament and alveolar bone. Regenerative dentistry and its special field regenerative periodontology represent relatively new and emerging branches of translational stem cell biology and regenerative medicine focusing on replacing and regenerating dental tissues to restore or re-establish their normal function lost during degenerative diseases or acute lesions. The regeneration itself can be achieved through transplantation of autologous or allogenic stem cells, or by improving the tissue self-repair mechanisms (e.g. by application of growth factors). In addition, a combination of stem cells or stem cell-containing tissue with bone implants can be used to improve tissue integration and the clinical outcome. As the oral cavity represents a complex system consisting of teeth, bone, soft tissues and sensory nerves, regenerative periodontology relies on the use of stem cells with relatively high developmental potential. Notably, the potential use of pluripotent stem cell types such as human embryonic stem cells or induced pluripotent stem cells is still aggravated by ethical and practical problems. Thus, other cellular sources such as those readily available in the postnatal craniofacial area and particularly in oral structures offer a much better and realistic alternative as cellular regenerative sources. In this review, we summarize current knowledge on the oral neural crest-derived stem cell populations (oNCSCs) and discuss their potential in regenerative periodontology.