Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Classification and clinical behavior of blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasms according to their maturation-associated immunophenotypic profile

Blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm (BPDCN) is a rare subtype of leukemia/lymphoma, whose diagnosis can be difficult to achieve due to its clinical and biological heterogeneity, as well as its overlapping features with other hematologic malignancies. In this study we investigated whether the association between the maturational stage of tumor cells and the clinico-biological and prognostic features of the disease, based on the analysis of 46 BPDCN cases classified into three maturation-associated subgroups on immunophenotypic grounds. Our results show that blasts from cases with an immature plasmacytoid dendritic cell (pDC) phenotype exhibit an uncommon CD56- phenotype, coexisting with CD34+ non-pDC tumor cells, typically in the absence of extramedullary (e.g. skin) disease at presentation. Conversely, patients with a more mature blast cell phenotype more frequently displayed skin/extramedullary involvement and spread into secondary lymphoid tissues. Despite the dismal outcome, acute lymphoblastic leukemia-type therapy (with central nervous system prophylaxis) and/or allogeneic stem cell transplantation appeared to be the only effective therapies. Overall, our findings indicate that the maturational profile of pDC blasts in BPDCN is highly heterogeneous and translates into a wide clinical spectrum -from acute leukemia to mature lymphoma-like behavior-, which may also lead to variable diagnosis and treatment.

Effects of hypoxic culture conditions on umbilical cord-derived human mesenchymal stem cells

Following cultivation of distinct mesenchymal stem cell (MSC) populations derived from human umbilical cord under hypoxic conditions (between 1.5% to 5% oxygen (O-2)) revealed a 2- to 3-fold reduced oxygen consumption rate as compared to the same cultures at normoxic oxygen levels (21% O-2). A simultaneous measurement of dissolved oxygen within the culture media from 4 different MSC donors ranged from 15 mu mol/L at 1.5% O-2 to 196 mu mol/L at normoxic 21% O-2. The proliferative capacity of the different hypoxic MSC populations was elevated as compared to the normoxic culture. This effect was paralleled by a significantly reduced cell damage or cell death under hypoxic conditions as evaluated by the cellular release of LDH whereby the measurement of caspase 3/7 activity revealed little if any differences in apoptotic cell death between the various cultures. The MSC culture under hypoxic conditions was associated with the induction of hypoxia-inducing factor-alpha (HIF-1 alpha) and an elevated expression of energy metabolism-associated genes including GLUT-1, LDH and PDK1. Concomitantly, a significantly enhanced glucose consumption and a corresponding lactate production could be observed in the hypoxic MSC cultures suggesting an altered metabolism of these human stem cells within the hypoxic environment.

Targeting and treatment of glioblastomas with human mesenchymal stem cells carrying ferrociphenol lipid nanocapsules

International audience

Enhanced engraftment and repairing ability of human adipose-derived stem cells, conveyed by pharmacologically active microcarriers continuously releasing HGF and IGF-1, in healing myocardial infarction in rats

International audience

Survival, differentiation, and neuroprotective mechanisms of human stem cells complexed with neurotrophin-3-releasing pharmacologically active microcarriers in an ex vivo model of Parkinson's disease

International audience

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

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.

Germ Cell Transplantation in Felids: A Potential Approach to Preserving Endangered Species

With the exception of the domestic cat, all members of the family Felidae are considered either endangered or threatened. Although not yet used for this purpose, spermatogonial stem cell (SSC) transplantation has a high potential to preserve the genetic stock of endangered species. However, this technique has not previously been established in felids. Therefore, we developed the necessary procedures to perform syngeneic and xenogeneic SSC transplants (eg, germ cell [GC] depletion in the recipient domestic cats, enrichment and labeling of donor cell suspension, and the transplantation method) in order to investigate the feasibility of the domestic cat as a recipient for the preservation and propagation of male germ plasm from wild felids. In comparison with busulfan treatment, local x-ray fractionated radiation was a more effective approach to depleting endogenous spermatogenesis. The results of both syngeneic and xenogeneic transplants revealed that SSCs were able to successfully colonize and differentiate in the recipient testis, generating elongated spermatids several weeks posttransplantation. Specifically, ocelot spermatozoa were observed in the cat epididymis 13 weeks following transplantation. As donor GCs from domestic cats and ocelots were able to develop and form mature GCs in the recipient environment seminiferous tubules, these findings indicate that the domestic cat is a suitable recipient for SSC transplantation. Moreover, as modern cats descended from a medium-size cat that existed approximately 10 to 11 million years ago, these results strongly suggest that the domestic cat could be potentially used as a recipient for generating and propagating the genome of wild felids.

Regulation of bone marrow stem cells through oscillatory shear stresses - A heart valve tissue engineering perspective

Heart valve disease occurs in adults as well as in pediatric population due to age-related changes, rheumatic fever, infection or congenital condition. Current treatment options are limited to mechanical heart valve (MHV) or bio-prosthetic heart valve (BHV) replacements. Lifelong anti-coagulant medication in case of MHV and calcification, durability in case of BHV are major setbacks for both treatments. Lack of somatic growth of these implants require multiple surgical interventions in case of pediatric patients. Advent of stem cell research and regenerative therapy propose an alternative and potential tissue engineered heart valves (TEHV) treatment approach to treat this life threatening condition. TEHV has the potential to promote tissue growth by replacing and regenerating a functional native valve. Hemodynamics play a crucial role in heart valve tissue formation and sustained performance. The focus of this study was to understand the role of physiological shear stress and flexure effects on de novo HV tissue formation as well as resulting gene and protein expression. A bioreactor system was used to generate physiological shear stress and cyclic flexure. Human bone marrow mesenchymal stem cell derived tissue constructs were exposed to native valve-like physiological condition. Responses of these tissue constructs to the valve-relevant stress states along with gene and protein expression were investigated after 22 days of tissue culture. We conclude that the combination of steady flow and cyclic flexure helps support engineered tissue formation by the co-existence of both OSS and appreciable shear stress magnitudes, and potentially augment valvular gene and protein expression when both parameters are in the physiological range. ^

Evolution of emerging iPS cell-based therapies for age-related macular degeneration (AMD)

Stem cell-based regenerative medicine is poised to revolutionize the way diseases are treated. In recent years, induced pluripotent stem (iPS) cells, a newly stem cell species, has attracted significant attention. This paper seeks to understand the pathways along which emerging clinical research efforts in the field of iPS cells is evolved. In particular, the empirical case of age-related macular degeneration (AMD) is used, which is the world-pioneering clinical application of iPS cells. In line with the literature, this study explores the interrelations between three different pathways, such as biomedical scientific understanding, development of medical technologies, and learning in clinical practice. For this, a techmining approach is used including co-term, co-citation, and direct citation methods. Scientific publications indexed in the Thomson Reuters' Web of Science and Elsevier's Scopus databases form the basis of the study. This research first explores the iPS cell research landscape through the construction of a co-term map, particularly stressing the location and intensity of disease-tackling efforts; then focus on the evolution of scientific knowledge on AMD through co-citation networks and the main path algorithm on direct citations. At the researcher level, the development of four different research groups working on cell therapies for AMD is evaluated through the software CitNetExplorer. By integrating these approaches, the result shows a wider picture of the complexities inherent in the translation of knowledge into revolutionary clinical methods.

IPSCs, a promising tool to restore muscle atrophy

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

Mechanisms of force-mediated regulation of transcription, chromatin remodeling and cell fate decisions

Tissue mechanics and cellular interactions influence every single cell in our bodies to drive morphogenesis. However, little is known about mechanisms by which cells sense physical forces and transduce them from the cytoskeleton to the nucleus to control gene expression and stem cell fate. We have identified a novel nuclear-mechanosensor complex, consisting of the nuclear membrane protein emerin (Emd), actin and non-muscle myosin IIA (NMIIA), that regulates transcription, chromatin remodeling and lineage commitment. Force-induced enrichment of Emd at the outer nuclear membrane leads to a compensation between H3K9me2,3 and H3K27me3 on constitutive heterochromatin. This strain-induced epigenetic switch is accompanied by the global rearrangement of chromatin. In parallel, forces promote local F-actin polymerization at the outer nuclear membrane, which limits the availability of nuclear G-actin. Subsequently, the reduction of nuclear G-actin results in attenuated global transcription and therefore increased H3K27me3 occupancy to reinforce gene silencing. Restoring nuclear actin levels in the presence of mechanical strain counteracts PRC2-mediated silencing of transcribed genes. This mechanosensory circuit is also observed in vivo. Depletion of NMIIA in mouse epidermis leads to decreased H3K27me3 levels and precocious lineage commitment, thus abrogating organ growth and patterning. Our results reveal how mechanical signals regulate nuclear architecture, chromatin organization and transcription to control cell fate decisions.

The Growth of Muscle Cell of Inbred Chicken and Indigeneous Chicken Embryo in The Medium of Rabbit Serum and Sheep Serum

An experiment on the growth embryonic muscle cell in the rabbit and sheep serum media was conducted in the Biotechnology Laboratory of Gadjah Mada University, Yogyakarta. The aim of this experiment was to observe the potency of the growth of embryonic muscle cell of the inbred chicken and indigeneous chicken in the medium of rabbit and sheep serum. Two kinds of embryo, the inbred and indigeneous chicken of eleven days old were used in the experiment. The rabbit and the sheep serum were prepared in the laboratory. The experiment was conducted by applying Nested Classification with basic Complete Randomized Design (CRD). Data collected was analyzed using analysis of variance and also using a proliferation index formula. Samples used in those research were the inner and outer cell nucleus after fourty eight hours of the growth. The result of the experiment indicated that the index of proliferation of embryonic muscle cell of the inbred chicken in the rabbit and sheep serum were 89.65 and 84.92 percent respectively. Whereas, the proliferation index of embryonic muscle cell of the indigeneous chicken in the rabbit and sheep serum were 86.20 and 84.82 percent respectively. The total of inner muscle cell nuclei of inbred chicken embryos was significantly higher (P<0.01) than those of indigeneous chicken embryos either in the rabbit or sheep serum, but there was no difference between the serum (P>0.05). inconclusion the muscle cell of inbred and indigeneous chicken embryos could growth in both serum but the growth muscle cell of inbred chicken embryo was better than that of indigeneous chicken embryo. (Animal Production 2(2): 75-82 (2000) Key words : tissue culture, chicken embryos, index proliferation, serum.

Multilineage differentiation potential of bone and cartilage cells derived from explant culture

To date, mesenchymal stem cells (MSCs) from various tissues have been reported, but the yield and differentiation potential of different tissue-derived MSCs is still not clear. This study was undertaken in an attempt to investigate the multilineage stem cell potential of bone and cartilage explant cultures in comparison with bone marrow derived mesenchymal stem cells (BMSCs). The results showed that the surface antigen expression of tissue-derived cells was consistent with that of mesenchymal stem cells, such as lacking the haematopoietic and common leukocyte markers (CD34, CD45) while expressing markers related to adhesion (CD29, CD166) and stem cells (CD90, CD105). The tissue-derived cells were able to differentiate into osteoblast, chondrocyte and adipocyte lineage pathways when stimulated in the appropriate differentiating conditions. However, compared with BMSCs, tissue-derived cells showed less capacity for multilineage differentiation when the level of differentiation was assessed in monolayer culture by analysing the expression of tissue-specific genes by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and histology. In high density pellet cultures, tissue-derived cells were able to differentiate into chondrocytes, expressing chondrocyte markers such as proteoglycans, type II collagen and aggrecan. Taken together, these results indicate that cells derived from tissue explant cultures reserved certain degree of differentiation properties of MSCs in vitro.