The importance of the Hedgehog signaling pathway at the level of the blood-brain barrier

La barrière hémato-encéphalique (BHE) protège le système nerveux central (SNC) en contrôlant le passage des substances sanguines et des cellules immunitaires. La BHE est formée de cellules endothéliales liées ensemble par des jonctions serrées et ses fonctions sont maintenues par des astrocytes, celles ci sécrétant un nombre de facteurs essentiels. Une analyse protéomique de radeaux lipidiques de cellules endothéliales de la BHE humaine a identifié la présence de la voie de signalisation Hedgehog (Hh), une voie souvent liées à des processus de développement embryologique ainsi qu’au niveau des tissus adultes. Suite à nos expériences, j’ai déterminé que les astrocytes produisent et secrètent le ligand Sonic Hh (Shh) et que les cellules endothéliales humaines en cultures primaires expriment le récepteur Patched (Ptch)-1, le co-récepteur Smoothened (Smo) et le facteur de transcription Gli-1. De plus, l’activation de la voie Hh augmente l’étanchéité des cellules endothéliales de la BHE in vitro. Le blocage de l’activation de la voie Hh en utilisant l’antagoniste cyclopamine ainsi qu’en utilisant des souris Shh déficientes (-/-) diminue l’expression des protéines de jonctions serrées, claudin-5, occcludin, et ZO-1. La voie de signalisation s’est aussi montrée comme étant immunomodulatoire, puisque l’activation de la voie dans les cellules endothéliales de la BHE diminue l’expression de surface des molécules d’adhésion ICAM-1 et VCAM-1, ainsi que la sécrétion des chimiokines pro-inflammatoires IL-8/CXCL8 et MCP-1/CCL2, créant une diminution de la migration des lymphocytes CD4+ à travers une monocouche de cellules endothéliales de la BHE. Des traitements avec des cytokines pro-inflammatoires TNF-α and IFN-γ in vitro, augmente la production de Shh par les astrocytes ainsi que l’expression de surface de Ptch-1 et de Smo. Dans des lésions actives de la sclérose en plaques (SEP), où la BHE est plus perméable, les astrocytes hypertrophiques augmentent leur expression de Shh. Par contre, les cellules endothéliales de la BHE n’augmentent pas leur expression de Ptch-1 ou Smo, suggérant une dysfonction dans la voie de signalisation Hh. Ces résultats montrent que la voie de signalisation Hh promeut les propriétés de la BHE, et qu’un environnement d’inflammation pourrait potentiellement dérégler la BHE en affectant la voie de signalisation Hh des cellules endothéliales.

Amélioration de la prise de greffe hématopoïétique par une thérapie cellulaire à base de cellules souches mésenchymateuses

Le traitement du cancer à l’aide d’une exposition aux radiations ionisantes peut mener au développement de plusieurs effets secondaires importants, dont un retard de réparation et de régénération du tissu hématopoïétique. Les mécanismes responsables de ces effets demeurent encore inconnus, ce qui limite le développement de nouvelles approches thérapeutiques. À l’aide d’un modèle murin de prise de greffe, nos résultats démontrent que l’endommagement du microenvironnement par l’irradiation a un impact limitant sur le nichage hématopoïétique. Parce que le microenvironnement est composé principalement de cellules dérivées des cellules souches mésenchymateuses (CSM), nous avons évalué le potentiel des CSM à régénérer le tissu hématopoïétique par la reconstitution de la niche osseuse. Cette thérapie a mené à une augmentation remarquable du nichage hématopoïétique chez les souris irradiées. Les causes moléculaires impliquées dans le nichage hématopoïétiques sont encore inconnues, mais nous avons remarqué l’augmentation de la sécrétion de la cytokine « granulocyte-colony stimulating factor » (G-CSF) dans l’espace médullaire suite à l’irradiation. Le G-CSF est impliqué dans la mobilisation cellulaire et est fort possiblement nuisible à une prise de greffe. Nous avons évalué le potentiel d’une thérapie à base de CSM sécrétant le récepteur soluble du G-CSF afin de séquestrer le G-CSF transitoirement et les résultats obtenus démontrent que le blocage du G-CSF favorise le nichage hématopoïétique. Globalement, les données présentées dans ce mémoire démontrent que le microenvironnement osseux et le niveau de G-CSF dans la moelle sont importants dans le processus de nichage hématopoïétique et que la baisse du potentiel de régénération du tissu hématopoïétique suite à l’irradiation peut être renversée à l’aide d’une thérapie cellulaire de CSM génétiquement modifiées ou non.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

Rôle de MTORC2 dans la sénescence et la différenciation myofibroblastique induites par l'autophagie

Il a été suggéré que l’autophagie pouvait participer au processus fibrotique en favorisant la différenciation du fibroblaste en myofibroblaste. La sénescence cellulaire a aussi été montrée comme impliquée dans la réparation tissulaire et la fibrose. Des liens ont été établis entre autophagie et sénescence. Cette étude a pour but d’investiguer les liens possibles entre autophagie, sénescence et différenciation myofibroblastique afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires régulant la réparation tissulaire et la fibrose. Les fibroblastes carencés en sérum pendant quatre jours montrent des ratios LC3B-II/-I élevés et des niveaux de SQSTM1/p62 diminués. L’augmentation de l’autophagie est accompagnée d’une augmentation de l’expression des marqueurs de différenciation myofibroblastique ACTA2/αSMA et collagènes de type 1 et 3 et de la formation de fibres de stress. Les fibroblastes autophagiques expriment les marqueurs de sénescence CDKN1A (p21) et p16INK4a (p16) et montrent une augmentation de l’activité beta-galactosidase associée à la sénescence. L’inhibition de l’autophagie à l’aide de différents inhibiteurs de phosphoinositide 3-kinase de classe I et de phosphatidylinositol 3-kinase de classe III (PtdIns3K) ou par inhibition génique à l’aide d’ARN interférant ATG7 bloquent l’expression des marqueurs de différenciation et de sénescence. L’expression et la sécrétion de CTGF (connective tissue growth factor) sont augmentées chez les fibroblastes autophagiques. L’inhibition de l’expression du CTGF par interférence génique prévient la différenciation myofibroblastique, démontrant l’importance de ce facteur pro-fibrotique pour la différenciation induite par l’autophagie. La phosphorylation de la kinase RPS6KB1/p70S6K, cible du complexe MTORC1, est abolie dans les fibroblastes autophagiques. La phosphorylation d’AKT à la Ser473, une cible du complexe MTORC2, diminue lors de la carence en sérum des fibroblastes mais est suivie d’une rephosphorylation après 2 jours. Ce résultat suggère la réactivation de MTORC2 lors d’une autophagie prolongée. Ceci a été vérifié par inhibition de l’autophagie dans les fibroblastes carencés en sérum. Les inhibiteurs de PtdIns3K et le siRNA ATG7 bloquent la rephosphorylation d’AKT. L’inhibition de la réactivation de MTORC2, et donc de la rephosphorylation d’AKT, est aussi obtenue par exposition des fibroblastes à la rapamycine, le Torin 1 ou par inhibition génique de RICTOR. Ces traitements inhibent l’augmentation de l’expression du CTGF ainsi que des marqueurs de différenciation et de sénescence, démontrant le rôle central joué par MTORC2 dans ces processus. Le stress oxydant peut induire la sénescence et la carence en sérum est connue pour augmenter la quantité de ROS (reactive oxygen species) dans les cellules. Afin d’investiguer le rôle des ROS dans la différenciation et la sénescence induites par l’autophagie, nous avons incubés les fibroblastes carencés en sérum en présence de N-acetyl-L-cysteine (NAC). Le NAC diminue la production de ROS, diminue les marqueurs d’autophagie, de sénescence et de différenciation myofibroblastique. Le NAC inhibe aussi la phosphorylation d’AKT Ser473. L’ensemble de ces résultats identifient les ROS en association avec une autophagie prolongée comme des nouveaux activateurs du complexe MTORC2. MTORC2 est central pour l’activation subséquente de la sénescence et de la différenciation myofibroblastique.

Rôle du microenvironnement apoptotique tissulaire et du MFG-E8 dans la modulation de la réponse inflammatoire

L’inflammation fait partie des processus réactionnels de défense dont dispose l’organisme en réponse aux agressions, assurant l’intégrité de l’hôte. En réponse au dommage tissulaire, plusieurs médiateurs inflammatoires interviennent dans le processus de l’inflammation. Lors de ces dommages, des signaux de dangers provenant de cellules endommagées sont relâchés dans l’environnement tissulaire, pouvant causer des dommages cellulaires et tissulaires. Les macrophages, tout comme d’autres cellules, peuvent être activés par ces signaux de danger, menant à la sécrétion de molécules telles que des cytokines et des chimiokines pouvant modifier le microenvironnement tissulaire. Les insultes au tissu sain peuvent entrainer la mort cellulaire telle que l’apoptose. Les molécules pouvant être relâchées lors de celle-ci contribuent au microenvironnement, notamment de par l’influence de celles-ci sur le macrophage. Parmi ces médiateurs, nous avons identifié le Milk Fat Globule-Epidermal growth factor 8 (MFG-E8), un acteur important dans la résolution de l’inflammation, comme étant relâché spécifiquement par les cellules apoptotiques. Nous avons émis l’hypothèse que le microenvironnement apoptotique tissulaire, via la relâche de MFG-E8, module le phénotype du macrophage, modifiant le microenvironnement, la réponse inflammatoire ainsi que le devenir de l’insulte tissulaire. Nos objectifs sont 1) de caractériser ce microenvironnement apoptotique tissulaire et la cinétique de relâche du MFG-E8 par les cellules apoptotiques, 2) d’en évaluer son rôle dans la modulation du phénotype du macrophage ainsi que 3) d’en étudier, in vivo, son influence sur l’environnement inflammatoire et le devenir tissulaire. Dans le premier article présenté, nous avons démontré que les cellules endothéliales apoptotiques relâchent le MFG-E8 de façon Caspase-3 dépendante. La stimulation des macrophages par l’environnement conditionné par les cellules endothéliales apoptotiques mène à l’adoption d’un profil macrophagien davantage anti-inflammatoire et moindrement pro-inflammatoire. Ce phénotype est réduit par l’inhibition de la Caspase-3 et il dépend de la présence de MFG-E8. De plus, le potentiel du MFG-E8 à la reprogrammation du macrophage pro-inflammatoire a été démontré via un modèle expérimental de péritonite. Ce changement phénotypique médié par MFG-E8 implique une signalisation STAT3. Ayant démontré que les cellules épithéliales apoptotiques, à l’instar des cellules endothéliales apoptotiques, relâchent elles aussi de façon apoptose-dépendante le MFG-E8, nous avons étudié plus exhaustivement un modèle in vivo riche en apoptose épithéliale, l’obstruction urétérale unilatérale. Dans ce deuxième article présenté, nous rapportons l’implication bénéfique de MFG-E8 dans ce modèle de pathologie rénale obstructive. Nous avons constaté que la présence ou l’administration de MFG-E8 réduit le dommage tissulaire et la fibrose. La protection conférée par MFG-E8 est médiée via la modulation de l’activation de l’inflammasome. De plus, nos résultats illustrent l’importance du phénotype anti-inflammatoire du macrophage médié par le MFG-E8 dans la régulation négative de l’activation de l’inflammasome rénal et du dommage tissulaire. Cette thèse présente la première description de la relâche Caspase-3-dépendante de MFG-E8 par les cellules apoptotiques. Elle démontre également l’importance du MFG-E8 dans le microenvironnement apoptotique inflammatoire dans l’atténuation du phénotype pro-inflammatoire du macrophage. De plus, nous avons démontré son rôle protecteur dans des modèles in vivo de transplantation aortique et de réparation tissulaire, de même que dans un modèle de maladie rénale chronique où nous avons montré que cette protection conférée par MFG-E8 est médiée par la régulation négative de l’inflammasome tissulaire. Nos résultats suggèrent ainsi que le MFG-E8 pourrait être considéré comme un interrupteur inflammatoire et ainsi comme une cible potentielle dans la modulation de maladies inflammatoires.

Correlación entre saturación venosa, ruptura de anastomosis y formación de fístulas en pacientes con trauma abdominal en el Hospital Occidente de Kennedy

El manejo del trauma abdominal supone el reto de realizar una anastomosis o sutura intestinal en pacientes comprometidos hemodinámicamente. La decisión de cirugía de control de daños ante la presencia de acidosis, hipotermia y coagulopatía es evidente, sin embargo la situación no siempre es tan clara. En individuos con trauma se desarrollan cambios moleculares e inflamatorios por inadecuado balance entre aporte y demanda de oxígeno, que afectan el proceso de reparación de los tejidos con el riesgo de aparición de fístulas. Una forma rápida y práctica de detectar esta hipoperfusión es midiendo la saturación venosa de oxígeno (SVO2) y el Lactato Sérico. OBJETIVOS: Establecer correlación entre los valores de SVO2 transoperatorio y la aparición de fístulas intestinales en pacientes intervenidos por trauma abdominal. MATERIALES Y METODOS: Estudio de cohorte prospectivo que analiza diferentes variables en relación con la aparición de fistulas en pacientes con trauma abdominal que requieren suturas en el tracto gastrointestinal, haciendo énfasis en los niveles de SVO2. RESULTADOS: Los pacientes con falla anastomótica, presentaron un promedio de SVO2 más baja (60.0% ± 2.94%), versus los no fistulizados (69.89% ± 7.21%) (p =0.010). Todos los pacientes de la cohorte expuesta (SVO2<65%), presentaron dehiscencia de la anastomosis (RR =39.8, IC95%: 2.35,659.91, p<0.001, Test exacto de Fisher). El valor predictivo positivo de la saturación (<65%) fue de 57.14% (IC 95%: 13.34%, 100%) y el valor predictivo negativo fue de 100% (IC 95%:81.75%, 100%). La sensibilidad fue de 100% (IC 95%:87.50%, 100%) y especificidad de 91.89% (IC 95%: 81.75%, 100%). En el análisis bivariante determinó que el índice de trauma abdominal, el nivel de hemoglobina y el requerimiento de transfusión de glóbulos rojos, son factores de riesgo directamente relacionados con la falla de la anastomosis en pacientes con trauma abdominal CONCLUSIONES: - Hay una fuerte relación entre la falla en la reparación intestinal y SVO2 < 65%. - El pronóstico de una anastomosis intestinal está directamente relacionada con el estado hemodinámico y la perfusión tisular al momento de la intervención quirúrgica. - El nivel de SVO2 puede apoyar al cirujano en la decisión de realizar o no una reparación en víscera hueca al momento de intervención quirúrgica en un paciente con trauma abdominal.

Adult skeletal muscle stem cell migration is mediated by a blebbing/amoeboid mechanism

Adult skeletal muscle possesses a resident stem cell population called satellite cells which are responsible for tissue repair following damage. Satellite cell migration is crucial in promoting rapid tissue regeneration but is a poorly understood process. Furthermore, the mechanisms facilitating satellite cell movement have yet to be elucidated. Here the process of satellite cell migration has been investigated revealing that they undergo two distinct phases of movement; firstly under the basal lamina and then rapidly increasing their velocity when on the myofibre surface. Most significantly we show that satellite cells move using a highly dynamic blebbing based mechanism and not via lamellopodia mediated propulsion. We show that nitric oxide and non-canonical Wnt signalling pathways are necessary for regulating the formation of blebs and the migration of satellite cells. In summary, we propose that the formation of blebs and their necessity for satellite cell migration has significant implications in the future development of therapeutic regimes aimed at promoting skeletal muscle regeneration.

Targeting stem cell niches and trafficking for cardiovascular therapy.

Regenerative cardiovascular medicine is the frontline of 21st-century health care. Cell therapy trials using bone marrow progenitor cells documented that the approach is feasible, safe and potentially beneficial in patients with ischemic disease. However, cardiovascular prevention and rehabilitation strategies should aim to conserve the pristine healing capacity of a healthy organism as well as reactivate it under disease conditions. This requires an increased understanding of stem cell microenvironment and trafficking mechanisms. Engagement and disengagement of stem cells of the osteoblastic niche is a dynamic process, finely tuned to allow low amounts of cells move out of the bone marrow and into the circulation on a regular basis. The balance is altered under stress situations, like tissue injury or ischemia, leading to remarkably increased cell egression. Individual populations of circulating progenitor cells could give rise to mature tissue cells (e.g. endothelial cells or cardiomyocytes), while the majority may differentiate to leukocytes, affecting the environment of homing sites in a paracrine way, e.g. promoting endothelial survival, proliferation and function, as well as attenuating or enhancing inflammation. This review focuses on the dynamics of the stem cell niche in healthy and disease conditions and on therapeutic means to direct stem cell/progenitor cell mobilization and recruitment into improved tissue repair.

Investigating the influence of extracellular matrix and glycolytic metabolism on muscle stem cell migration on their native fibre environment

The composition of the extracellular matrix (ECM) of skeletal muscle fibres is a unique environment that supports the regenerative capacity of satellite cells; the resident stem cell population. The impact of environment has great bearing on key properties permitting satellite cells to carry out tissue repair. In this study, we have investigated the influence of the ECM and glycolytic metabolism on satellite cell emergence and migration- two early processes required for muscle repair. Our results show that both influence the rate at which satellite cells emerge from the sub-basal lamina position and their rate of migration. These studies highlight the necessity of performing analysis of satellite behaviour on their native substrate and will inform on the production of artificial scaffolds intended for medical uses.

Matrix Metalloproteinase Expression in Teeth with Apical Periodontitis Is Differentially Modulated by the Modality of Root Canal Treatment

Introduction: The objective of this study was to investigate the expression of matrix metalloproteinases (MM Ps) in apical periodontitis and during the periapical healing phase after root canal treatment. Methods: Apical periodontitis was induced in dog teeth, and root canal treatment was performed in a single visit or by using an additional calcium hydroxide root canal dressing. One hundred eighty days after treatment the presence of inflammation was examined, and tissues were stained to detect bacteria. Bacterial status was correlated to the degree of tissue organization, and to further investigate molecules involved in this process, tissues were stained for MMP-1, MMP-2, MMP-8, and MMP-9. Data were analyzed by using one-way analysis of variance followed by Tukey test or Kruskal-Wallis followed by Dunn test. Results: Teeth with apical periodontitis that had root canal therapy performed in a single visit presented an intense inflammatory cell infiltrate. Periapical tissue was extremely disorganized, and this was correlated with the presence of bacteria. Higher MMP expression was evident, similar to teeth with untreated apical periodontitis. In contrast, teeth with apical periodontitis submitted to root canal treatment with calcium hydroxide presented a lower inflammatory cell infiltrate. This group had moderately organized connective tissue, lower prevalence of bacteria, and lower number of MMP-positive cells, similar to healthy teeth submitted to treatment. Conclusions: Teeth treated with calcium hydroxide root canal dressing exhibited a lower percentage of bacterial contamination, a lower MMP expression, and a more organized extracellular matrix, unlike those treated in a single visit. This suggests that calcium hydroxide might be beneficial in tissue repair processes. (J Endod 2010;36:231-237)

Direct pulp capping with a self-etching adhesive system: Histopathologic evaluation in dogs` teeth

Objective. This study evaluated histopathologically the response of pulp and periradicular tissues after pulp capping with an all-in-one self-etching adhesive system in dogs` teeth. Study design. Forty teeth of 4 dogs were assigned to 3 groups according to the pulp capping material: G1 (n = 20): self-etching adhesive system; G2 (n = 10): Ca(OH)(2); G3 (n = 10): zinc oxide-eugenol. The animals were killed 7 and 70 days after pulp capping. The pieces containing the pulp-capped teeth were removed and processed for histologic analysis. Results. At 7 days, no dentin bridge formation was observed; G1 and G3 exhibited inflammatory pulpal alterations, whereas G2 presented only mild inflammatory infiltrate in the pulp tissue adjacent to the capping material, the remainder being intact. At 70 days, no specimen in G1 or G3 presented dentin bridge formation. The remaining pulp tissue exhibited severe inflammatory alterations and areas of necrosis. In G2, all specimens showed dentin bridge formation and absence of inflammation and mineralized tissue resorption. No bacteria were identified using Brown and Brenn staining techniques in all 3 groups at any observation period. Conclusion. According to the conditions of this study, direct pulp capping with the self-etching adhesive system did not allow pulp tissue repair and failed histopathologically in 100% of the cases. (Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2009; 108: e34-e40)

Bradykinin B(1) receptor antagonist R954 inhibits eosinophil activation/proliferation/migration and increases TGF-beta and VEGF in a murine model of asthma

In the present study the effects of bradykinin receptor antagonists were investigated in a murine model of asthma using BALB/c mice immunized with ovalbumin/alum and challenged twice with aerosolized ovalbumin. Twenty four hours later eosinophil proliferation in the bone marrow, activation (lipid bodies formation), migration to lung parenchyma and airways and the contents of the pro-angiogenic and pro-fibrotic cytokines TGF-beta and VEGF were determined. The antagonists of the constitutive B(2) (HOE 140) and inducible B(1) (R954) receptors were administered intraperitoneally 30 min before each challenge. In sensitized mice, the antigen challenge induced eosinophil proliferation in the bone marrow, their migration into the lungs and increased the number of lipid bodies in these cells. These events were reduced by treatment of the mice with the B(1) receptor antagonist. The B(2) antagonist increased the number of eosinophils and lipid bodies in the airways without affecting eosinophil counts in the other compartments. After challenge the airway levels of VEGF and TGF-beta significantly increased and the B(1) receptor antagonist caused a further increase. By immunohistochemistry techniques TGF-beta was found to be expressed in the muscular layer of small blood vessels and VEGF in bronchial epithelial cells. The B(1) receptors were expressed in the endothelial cells. These results showed that in a murine model of asthma the B(1) receptor antagonist has an inhibitory effect on eosinophils in selected compartments and increases the production of cytokines involved in tissue repair. It remains to be determined whether this effects of the B(1) antagonist would modify the progression of the allergic inflammation towards resolution or rather towards fibrosis. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nanoengineering of a biocompatible organogel by thermal processing

The formation of most organogels requires the compatibility of both the gelator and solvent. It is very desirable if the rheological properties of a gel can be manipulated to achieve the desired performance. In this paper, a novel organogel was developed and its rheological properties and fiber network were engineered by controlling the thermal processing conditions. The gel was formed by the gelation of 12-hydroxystearic acid as a gelator in benzyl benzoate. It was observed that the degree of supercooling for gel formation has a significant effect on the rheological properties and fiber network structure. By increasing supercooling, the elasticity of the gel was enhanced, and the correlation length of the fibers was shortened, leading to the formation of denser fiber networks. The good biocompatibility of both the gelator and solvent makes this gel a promising vehicle for a variety of bioapplications such as controlled transdermal drug release and in vivo tissue repair.

Coiled polymeric growth factor gradients for multi-luminal neural chemotaxis

In the injured adult nervous system, re-establishment of growth-promoting molecular gradients is known to entice and guide nerve repair. However, incorporation of three-dimensional chemotactic gradients in nerve repair scaffolds, particularly in those with multi-luminal architectures, remains extremely challenging. We developed a method that establishes highly tunable three-dimensional molecular gradients in collagen-filled multi-luminal nerve guides by anchoring growth-factor releasing coiled polymeric fibers onto the walls of collagen-filled hydrogel microchannels. Differential pitch in the coiling of neurotrophin-eluting fibers generated sustained three-dimensional chemotactic gradients that appropriately induced the differentiation of Pheochromocytoma (PC12) cells into neural-like cells along an increasing concentration of nerve growth factor (NGF). Computer modeling estimated the stability of the molecular gradient within the luminal collagen, which we confirmed by observing the significant effects of neurotrophin gradients on axonal growth from dorsal root ganglia (DRG). Neurons growing in microchannels exposed to a NGF gradient showed a 60% increase in axonal length compared to those treated with a linear growth factor concentration. In addition, a two-fold increment in the linearity of axonal growth within the microchannels was observed and confirmed by a significant reduction in the turning angle ratios of individual axons. These data demonstrate the ability of growth factor-loaded polymeric coiled fibers to establish three-dimensional chemotactic gradients to promote and direct nerve regeneration in the nervous system and provides a unique platform for molecularly guided tissue repair.

Functionalization of dendrimers for improved gene delivery to mesenchymal stem cell

Disease, injury, and age problems compromise human quality of life and continuously motivate the search for new and more efficacious therapeutic approaches. The field of Tissue Regeneration and Engineering has greatly evolved over the last years, mainly due to the combination of the important advances verified in Biomaterials Science and Engineering with those of Cell and Molecular Biology. In particular, a new and promising area arose – Nanomedicine – that takes advantage of the extremely small size and especial chemical and physical properties of Nanomaterials, offering powerful tools for health improvement. Research on Stem Cells, the self-renewing progenitors of body tissues, is also challenging to the medical and scientific communities, being expectable the appearance of new and exciting stem cell-based therapies in the next years. The control of cell behavior (namely, of cell proliferation and differentiation) is of key importance in devising strategies for Tissue Regeneration and Engineering. Cytokines, growth factors, transcription factors and other signaling molecules, most of them proteins, have been identified and found to regulate and support tissue development and regeneration. However, the application of these molecules in long-term regenerative processes requires their continuous presence at high concentrations as they usually present short half-lives at physiological conditions and may be rapidly cleared from the body. Alternatively, genes encoding such proteins can be introduced inside cells and be expressed using cell’s machinery, allowing an extended and more sustained production of the protein of interest (gene therapy). Genetic engineering of stem cells is particularly attractive because of their self-renewal capability and differentiation potential. For Tissue Regeneration and Engineering purposes, the patient’s own stem cells can be genetically engineered in vitro and, after, introduced in the body (with or without a scaffold) where they will not only modulate the behavior of native cells (stem cell-mediated gene therapy), but also directly participate in tissue repair. Cells can be genetically engineered using viral and non-viral systems. Viruses, as a result of millions of years of evolution, are very effective for the delivery of genes in several types of cells, including cells from primary sources. However, the risks associated with their use (like infection and immunogenic reactions) are driving the search for non-viral systems that will efficiently deliver genetic material into cells. Among them, chemical methods that are promising and being investigated use cationic molecules as carriers for DNA. In this case, gene delivery and gene expression level remain relatively low when primary cells are used. The main goal of this thesis was to develop and assess the in vitro potential of polyamidoamine (PAMAM) dendrimers based carriers to deliver genes to mesenchymal stem cells (MSCs). PAMAM dendrimers are monodispersive, hyperbranched and nanospherical molecules presenting unique characteristics that make them very attractive vehicles for both drug and gene delivery. Although they have been explored for gene delivery in a wide range of cell lines, the interaction and the usefulness of these molecules in the delivery of genes to MSCs remains a field to be explored. Adult MSCs were chosen for the studies due to their potential biomedical applications (they are considered multipotent cells) and because they present several advantages over embryonic stem cells, such as easy accessibility and the inexistence of ethical restrictions to their use. This thesis is divided in 5 interconnected chapters. Chapter I provides an overview of the current literature concerning the various non-viral systems investigated for gene delivery in MSCs. Attention is devoted to physical methods, as well as to chemical methods that make use of polymers (natural and synthetic), liposomes, and inorganic nanoparticles as gene delivery vectors. Also, it summarizes the current applications of genetically engineered mesenchymal stem cells using non-viral systems in regenerative medicine, with special focus on bone tissue regeneration. In Chapter II, the potential of native PAMAM dendrimers with amine termini to transfect MSCs is evaluated. The level of transfection achieved with the dendrimers is, in a first step, studied using a plasmid DNA (pDNA) encoding for the β-galactosidase reporter gene. The effect of dendrimer’s generation, cell passage number, and N:P ratio (where N= number of primary amines in the dendrimer; P= number of phosphate groups in the pDNA backbone) on the level of transfection is evaluated, being the values always very low. In a second step, a pDNA encoding for bone morphogenetic protein-2, a protein that is known for its role in MSCs proliferation and differentiation, is used. The BMP-2 content produced by transfected cells is evaluated by an ELISA assay and its effect on the osteogenic markers is analyzed through several classical assays including alkaline phosphatase activity (an early marker of osteogenesis), osteocalcin production, calcium deposition and mineralized nodules formation (late osteogenesis markers). Results show that a low transfection level is enough to induce in vitro osteogenic differentiation in MSCs. Next, from Chapter III to Chapter V, studies are shown where several strategies are adopted to change the interaction of PAMAM dendrimers with MSCs cell membrane and, as a consequence, to enhance the levels of gene delivery. In Chapter III, generations 5 and 6 of PAMAM dendrimers are surface functionalized with arginine-glycine-aspartic acid (RGD) containing peptides – experiments with dendrimers conjugated to 4, 8 and 16 RGD units were performed. The underlying concept is that by including the RGD integrin-binding motif in the design of the vectors and by forming RGD clusters, the level of transfection will increase as MSCs highly express integrins at their surface. Results show that cellular uptake of functionalized dendrimers and gene expression is enhanced in comparison with the native dendrimers. Furthermore, gene expression is dependent on both the electrostatic interaction established between the dendrimer moiety and the cell surface and the nanocluster RGD density. In Chapter IV, a new family of gene delivery vectors is synthesized consisting of a PAMAM dendrimer (generation 5) core randomly linked at the periphery to alkyl hydrophobic chains that vary in length and number. Herein, the idea is to take advantage of both the cationic nature of the dendrimer and the capacity of lipids to interact with biological membranes. These new vectors show a remarkable capacity for internalizing pDNA, being this effect positively correlated with the –CH2– content present in the hydrophobic corona. Gene expression is also greatly enhanced using the new vectors but, in this case, the higher efficiency is shown by the vectors containing the smallest hydrophobic chains. Finally, chapter V reports the synthesis, characterization and evaluation of novel gene delivery vectors based on PAMAM dendrimers (generation 5) conjugated to peptides with high affinity for MSCs membrane binding - for comparison, experiments are also done with a peptide with low affinity binding properties. These systems present low cytotoxicity and transfection efficiencies superior to those of native dendrimers and partially degraded dendrimers (Superfect®, a commercial product). Furthermore, with this biomimetic approach, the process of gene delivery is shown to be cell surface receptor-mediated. Overall, results show the potential of PAMAM dendrimers to be used, as such or modified, in Tissue Regeneration and Engineering. To our knowledge, this is the first time that PAMAM dendrimers are studied as gene delivery vehicles in this context and using, as target, a cell type with clinical relevancy. It is shown that the cationic nature of PAMAM dendrimers with amine termini can be synergistically combined with surface engineering approaches, which will ultimately result in suitable interactions with the cytoplasmic membrane and enhanced pDNA cellular entry and gene expression. Nevertheless, the quantity of pDNA detected inside cell nucleus is always very small when compared with the bigger amount reaching cytoplasm (accumulation of pDNA is evident in the perinuclear region), suggesting that the main barrier to transfection is the nuclear membrane. Future work can then be envisaged based on the versatility of these systems as biomedical molecular materials, such as the conjugation of PAMAM dendrimers to molecules able to bind nuclear membrane receptors and to promote nuclear translocation.