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.

Paracrine effects of oocyte secreted factors and stem cell factor on porcine granulosa and theca cells in vitro

Oocyte control of granulosa and theca cell function may be mediated by several growth factors via a local feedback loop(s) between these cell types. This study examined both the role of oocyte-secreted factors on granulosa and thecal cells, cultured independently and in co-culture, and the effect of stem cell factor (SCF); a granulosa cell derived peptide that appears to have multiple roles in follicle development. Granulosa and theca cells were isolated from 2-6 mm healthy follicles of mature porcine ovaries and cultured under serum-free conditions, supplemented with: 100 ng/ml LR3 IGF-1, 10 ng/ml insulin, 100 ng/ml testosterone, 0-10 ng/ml SCF, 1 ng/ml FSH (granulosa), 0.01 ng/ml LH (theca) or 1 ng/ml FSH and 0.01 ng/ml LH (co-culture) and with/without oocyte conditioned medium (OCM) or 5 oocytes. Cells were cultured in 96 well plates for 144 h, after which viable cell numbers were determined. Medium was replaced every 48 h and spent medium analysed for steroids.Oocyte secreted factors were shown to stimulate both granulosa cell proliferation (P < 0.001) and oestradiol production (P < 0.001) by granulosa cells throughout culture. In contrast, oocyte secreted factors suppressed granulosa cell progesterone production after both 48 and 144 hours (P < 0.001). Thecal cell numbers were increased by oocyte secreted factors (P = 0.02), together with a suppression in progesterone and androstenedione synthesis after 48 hours (P < 0.001) and after 144 hours (P = 0.02), respectively. Oocyte secreted factors also increased viable cell numbers (P < 0.001) in co-cultures together with suppression of progesterone (P < 0.001) and oestradiol (P < 0.001). In granulosa cell only cultures, SCF increased progesterone production in a dose dependent manner (P < 0.001), whereas progesterone synthesis by theca cells was reduced in a dose dependent manner (P = 0.002). Co-cultured cells demonstrated an increase in progesterone production with increasing SCF dose (P < 0.001) and an increase in oestradiol synthesis at the highest dose of SCF (100 ng/ml). In summary, these findings demonstrate the presence of a co-ordinated paracrine interaction between somatic cells and germ cells, whereby oocyte derived signals interact locally to mediate granulosa and theca cell function. SCF has a role in modulating this local interaction. In conclusion, the oocyte is an effective modulator of granulosa-theca interactions, one role being the inhibition of luteinization

The Phosphate Source Influences Gene Expression and Quality of Mineralization during In Vitro Osteogenic Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells

For in vitro differentiation of bone marrow-derived mesenchymal stem cells/mesenchymal stromal cells into osteoblasts by 2-dimensional cell culture a variety of protocols have been used and evaluated in the past. Especially the external phosphate source used to induce mineralization varies considerably both in respect to chemical composition and concentration. In light of the recent findings that inorganic phosphate directs gene expression of genes crucial for bone development, the need for a standardized phosphate source in in vitro differentiation becomes apparent. We show that chemical composition (inorganic versus organic phosphate origin) and concentration of phosphate supplementation exert a severe impact on the results of gene expression for the genes commonly used as markers for osteoblast formation as well as on the composition of the mineral formed. Specifically, the intensity of gene expression does not necessarily correlate with a high quality mineralized matrix. Our study demonstrates advantages of using inorganic phosphate instead of beta-glycerophosphate and propose colorimetric quantification methods for calcium and phosphate ions as cost-and time-effective alternatives to X-ray diffraction and Fourier-transform infrared spectroscopy for determination of the calcium phosphate ratio and concentration of mineral matrix formed under in vitro-conditions. We critically discuss the different assays used to assess in vitro bone formation in respect to specificity and provide a detailed in vitro protocol that could help to avoid contradictory results due to variances in experimental design.

Study of the effect of novel CDK9 inhibitor on in vitro-induced hypertrophy in human stem-cells-derived cardiomyocytes

This is an abstract of a presented talk at the European Biotechnology Conference held in Latvia during 05–07 May 2016

Granulocyte-colony-stimulating factor mobilizes bone marrow stem cells in patients with subacute ischemic stroke: the Stem Cell Trial of Recovery EnhanceMent After Stroke (STEMS) Pilot Randomized, Controlled Trial (ISRCTN 16784092)

Background and Purpose - Loss of motor function is common after stroke and leads to significant chronic disability. Stem cells are capable of self-renewal and of differentiating into multiple cell types, including neurones, glia, and vascular cells. We assessed the safety of granulocyte-colony-stimulating factor (G-CSF) after stroke and its effect on circulating CD34 stem cells. Methods - We performed a 2-center, dose-escalation, double-blind, randomized, placebo-controlled pilot trial (ISRCTN 16784092) of G-CSF (6 blocks of 1 to 10 g/kg SC, 1 or 5 daily doses) in 36 patients with recent ischemic stroke. Circulating CD34 stem cells were measured by flow cytometry; blood counts and measures of safety and functional outcome were also monitored. All measures were made blinded to treatment. Results - Thirty-six patients, whose mean SD age was 768 years and of whom 50% were male, were recruited. G-CSF (5 days of 10 g/kg) increased CD34 count in a dose-dependent manner, from 2.5 to 37.7 at day 5 (area under curve, P0.005). A dose-dependent rise in white cell count (P0.001) was also seen. There was no difference between treatment groups in the number of patients with serious adverse events: G-CSF, 7/24 (29%) versus placebo 3/12 (25%), or in their dependence (modified Rankin Scale, median 4, interquartile range, 3 to 5) at 90 days. Conclusions - ”G-CSF is effective at mobilizing bone marrow CD34 stem cells in patients with recent ischemic stroke. Administration is feasible and appears to be safe and well tolerated. The fate of mobilized cells and their effect on functional outcome remain to be determined. (Stroke. 2006;37:2979-2983.)

Soybean Stem Fly, Melanagromyza sojae (Diptera: Agromyzidae), in the New World: detection of high genetic diversity from soybean fields in Brazil

Soybean Stem Fly (SSF), Melanagromyza sojae (Zehntner), belongs to the family Agromyzidae and is highly polyphagous, attacking many plant species of the family Fabaceae, including soybean and other beans. SSF is regarded as one of the most important pests in soybean fields of Asia (e.g., China, India), North East Africa (e.g., Egypt), parts of Russia, and South East Asia. Despite reports of Agromyzidae flies infesting soybean fields in Rio Grande do Sul State (Brazil) in 1983 and 2009 and periodic interceptions of SSF since the 1940s by the USA quarantine authorities, SSF has not been officially reported to have successfully established in the North and South Americas. In South America, M. sojae was recently confirmed using morphology and its complete mitochondrial DNA (mtDNA) was characterized. In the present study, we surveyed the genetic diversity of M. sojae, collected directly from soybean host plants, using partial mtDNA cytochrome oxidase I (COI) gene, and provide evidence of multiple (>10) maternal lineages in SSF populations in South America, potentially representing multiple incursion events. However, a single incursion involving multiple-female founders could not be ruled out. We identified a haplotype that was common in the fields of two Brazilian states and the individuals collected from Australia in 2013. The implications of SSF incursions in southern Brazil are discussed in relation to the current soybean agricultural practices, highlighting an urgent need for better understanding of SSF population movements in the New World, which is necessary for developing effective management options for this significant soybean pest. © FUNPEC-RP.

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

NFL-lipid nanocapsules for brain neural stem cell targeting in vitro and in vivo

International audience

Control of grey mould and stem-end rot in strawberry plants growing in a subtropical environment

The effect of different fungicide programs on grey mould (caused by Botrytis cinerea) and stem-end rot (caused by Gnomoniopsis fructicola) affecting strawberry plants (Fragaria ×ananassa cv. Festival) was studied in subtropical Australia over three years. The treatments involved a range of different synthetic multi- and single-site fungicides with different modes of action, a plant-defence promoter, plant extracts (lupin and rhubarb), organic acids, fatty acids, a salt, two strains of Bacillus subtilis, and single strains of B. amyloliquefaciens, Streptomyces lydicus and Trichoderma harzianum. Standard programs based on captan and thiram alternated, and applied with iprodione, fenhexamid, cyprodinil + fludioxonil, and penthiopyrad resulted in 3–4 % of unmarketable fruit compared with 25–38 % in the water-treated controls. There was no difference in the level of disease suppression when five or thirteen applications of single-site fungicides were rotated with the two multi-site fungicides. The incidence of unmarketable fruit was similar to the standard programs using isopyrazam (in 1 year out of 2), or penthiopyrad, fluazinam, chlorothalonil or thiram alone (in 1 year out of 1). The other fungicide programs were generally less effective. There were strong relationships between marketable yield and the incidence of unmarketable fruit over the three years (R2s = 0.82–0.93). A strategy based on thiram and captan applied alternately, with reduced applications of single-site fungicides is recommended and should reduce the chance of resistance to single-site fungicides becoming widespread in populations of the grey mould fungus. Although the program based on thiram alone had a similar incidence of unmarketable fruit as the standard program, repeated weekly applications of thiram are not recommended as they may cause unacceptable residues in the fruit. There were issues with some of the other fungicides due to phytotoxicity, residues, or difficulties with registering new fungicides that are in the same chemical group as currently registered products.

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.

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.