Rôle de l'apprentissage moteur à long terme dans la récupération motrice chez les patients hémiparétiques

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Combined Gene Therapy and Functional Tissue Engineering for the Treatment of Osteoarthritis

The pathogenesis of osteoarthritis is mediated in part by inflammatory cytokines including interleukin-1 (IL-1), which promote degradation of articular cartilage and prevent human mesenchymal stem cell (hMSC) chondrogenesis. We combined gene therapy and functional tissue engineering to develop engineered cartilage with immunomodulatory properties that allow chondrogenesis in the presence of pathologic levels of IL-1 by inducing overexpression of IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra) in hMSCs via scaffold-mediated lentiviral gene delivery. A doxycycline-inducible vector was used to transduce hMSCs in monolayer or within 3D woven PCL scaffolds to enable tunable IL-1Ra production. In the presence of IL-1, IL-1Ra-expressing engineered cartilage produced cartilage-specific extracellular matrix, while resisting IL-1-induced upregulation of matrix metalloproteinases and maintaining mechanical properties similar to native articular cartilage. The ability of functional engineered cartilage to deliver tunable anti-inflammatory cytokines to the joint may enhance the long-term success of therapies for cartilage injuries or osteoarthritis.

Following this, we modified this anti-inflammatory engineered cartilage to incorporate rabbit MSCs and evaluated this therapeutic strategy in a pilot study in vivo in rabbit osteochondral defects. Rabbits were fed a custom doxycycline diet to induce gene expression in engineered cartilage implanted in the joint. Serum and synovial fluid were collected and the levels of doxycycline and inflammatory mediators were measured. Rabbits were euthanized 3 weeks following surgery and tissues were harvested for analysis. We found that doxycycline levels in serum and synovial fluid were too low to induce strong overexpression of hIL-1Ra in the joint and hIL-1Ra was undetectable in synovial fluid via ELISA. Although hIL-1Ra expression in the first few days local to the site of injury may have had a beneficial effect, overall a higher doxycycline dose and more readily transduced cell population would improve application of this therapy.

In addition to the 3D woven PCL scaffold, cartilage-derived matrix scaffolds have recently emerged as a promising option for cartilage tissue engineering. Spatially-defined, biomaterial-mediated lentiviral gene delivery of tunable and inducible morphogenetic transgenes may enable guided differentiation of hMSCs into both cartilage and bone within CDM scaffolds, enhancing the ability of the CDM scaffold to provide chondrogenic cues to hMSCs. In addition to controlled production of anti-inflammatory proteins within the joint, in situ production of chondro- and osteo-inductive factors within tissue-engineered cartilage, bone, or osteochondral tissue may be highly advantageous as it could eliminate the need for extensive in vitro differentiation involving supplementation of culture media with exogenous growth factors. To this end, we have utilized controlled overexpression of transforming growth factor-beta 3 (TGF-β3), bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) or a combination of both factors, to induce chondrogenesis, osteogenesis, or both, within CDM hemispheres. We found that TGF-β3 overexpression led to robust chondrogenesis in vitro and BMP-2 overexpression led to mineralization but not accumulation of type I collagen. We also showed the development of a single osteochondral construct by combining tissues overexpressing BMP-2 (hemisphere insert) and TGF-β3 (hollow hemisphere shell) and culturing them together in the same media. Chondrogenic ECM was localized in the TGF-β3-expressing portion and osteogenic ECM was localized in the BMP-2-expressing region. Tissue also formed in the interface between the two pieces, integrating them into a single construct.

Since CDM scaffolds can be enzymatically degraded just like native cartilage, we hypothesized that IL-1 may have an even larger influence on CDM than PCL tissue-engineered constructs. Additionally, anti-inflammatory engineered cartilage implanted in vivo will likely affect cartilage and the underlying bone. There is some evidence that osteogenesis may be enhanced by IL-1 treatment rather than inhibited. To investigate the effects of an inflammatory environment on osteogenesis and chondrogenesis within CDM hemispheres, we evaluated the ability of IL-1Ra-expressing or control constructs to undergo chondrogenesis and osteogenesis in the prescence of IL-1. We found that IL-1 prevented chondrogenesis in CDM hemispheres but did not did not produce discernable effects on osteogenesis in CDM hemispheres. IL-1Ra-expressing CDM hemispheres produced robust cartilage-like ECM and did not upregulate inflammatory mediators during chondrogenic culture in the presence of IL-1.

Targeted Gene Repression Technologies for Regenerative Medicine, Genomics, and Gene Therapy

Gene regulation is a complex and tightly controlled process that defines cell function in physiological and abnormal states. Programmable gene repression technologies enable loss-of-function studies for dissecting gene regulation mechanisms and represent an exciting avenue for gene therapy. Established and recently developed methods now exist to modulate gene sequence, epigenetic marks, transcriptional activity, and post-transcriptional processes, providing unprecedented genetic control over cell phenotype. Our objective was to apply and develop targeted repression technologies for regenerative medicine, genomics, and gene therapy applications. We used RNA interference to control cell cycle regulation in myogenic differentiation and enhance the proliferative capacity of tissue engineered cartilage constructs. These studies demonstrate how modulation of a single gene can be used to guide cell differentiation for regenerative medicine strategies. RNA-guided gene regulation with the CRISPR/Cas9 system has rapidly expanded the targeted repression repertoire from silencing single protein-coding genes to modulation of genes, promoters, and other distal regulatory elements. In order to facilitate its adaptation for basic research and translational applications, we demonstrated the high degree of specificity for gene targeting, gene silencing, and chromatin modification possible with Cas9 repressors. The specificity and effectiveness of RNA-guided transcriptional repressors for silencing endogenous genes are promising characteristics for mechanistic studies of gene regulation and cell phenotype. Furthermore, our results support the use of Cas9-based repressors as a platform for novel gene therapy strategies. We developed an in vivo AAV-based gene repression system for silencing endogenous genes in a mouse model. Together, these studies demonstrate the utility of gene repression tools for guiding cell phenotype and the potential of the RNA-guided CRISPR/Cas9 platform for applications such as causal studies of gene regulatory mechanisms and gene therapy.

Effet de l'ET-1 sur le système MMP/TIMP dans les chondrocytes arthrosiques

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude de la fidélité des paramètres de la raideur passive de l'articulation de la hanche et analyse de leurs relations avec les mesures cliniques

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'axolotl : un modèle pour la régénération osseuse

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Validation de l'échographie haute fréquence pour l'évaluation des lésions d'ostéoarthrose

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle de l'apprentissage moteur à long terme dans la récupération motrice chez les patients hémiparétiques

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

DNA from historical and trophy samples provides insights into white shark population origins and genetic diversity

Characterizing genetic variation by retrospective genotyping of trophy or historical artifacts from endangered species is an important conservation tool. Loss of genetic diversity in top predators such as the white shark Carcharodon carcharias remains an issue, exacerbated in this species by declining, sometimes isolated philopatric populations. We successfully sequenced mitochondrial DNA (mtDNA) D-loop from osteodentine of contemporary South African white shark teeth (from 3 jaws), and from 34 to 129 yr old dried cartilage and skin samples from 1 Pacific Ocean and 5 Mediterranean sharks. Osteodentine-derived sequences from South African fish matched those derived from an individual’s finclips, but were generally of poorer quality than those from skin and cartilage of historical samples. Three haplotypes were identified from historical Mediterranean samples (n = 5); 2 individuals had unique sequences and 3 shared the contemporary Mediterranean haplotype. Placement of previously undescribed mtDNA haplotypes from historical material within both the Mediterranean and Pacific clades fits with the accepted intra-specific phylogeny derived from contemporary material, verifying our approaches. The utility of our methodology is in its provision of additional genetic resources from osteodentine (for species lacking tooth pulp) and cartilage of rare and endangered species held in often uncurated, contemporary and historical dry collections. Such material can usefully supplement estimates of connectivity, population history, and stock viability. We confirm the depauperate haplotype diversity of historical Mediterranean sharks, consistent with founding by a small number of Pacific colonizers. The consequent lack of diversity suggests serious challenges for the maintenance of this top predator and the Mediterranean ecosystem.

DNA from historical and trophy samples provides insights into white shark population origins and genetic diversity

Characterizing genetic variation by retrospective genotyping of trophy or historical artifacts from endangered species is an important conservation tool. Loss of genetic diversity in top predators such as the white shark Carcharodon carcharias remains an issue, exacerbated in this species by declining, sometimes isolated philopatric populations. We successfully sequenced mitochondrial DNA (mtDNA) D-loop from osteodentine of contemporary South African white shark teeth (from 3 jaws), and from 34 to 129 yr old dried cartilage and skin samples from 1 Pacific Ocean and 5 Mediterranean sharks. Osteodentine-derived sequences from South African fish matched those derived from an individual’s finclips, but were generally of poorer quality than those from skin and cartilage of historical samples. Three haplotypes were identified from historical Mediterranean samples (n = 5); 2 individuals had unique sequences and 3 shared the contemporary Mediterranean haplotype. Placement of previously undescribed mtDNA haplotypes from historical material within both the Mediterranean and Pacific clades fits with the accepted intra-specific phylogeny derived from contemporary material, verifying our approaches. The utility of our methodology is in its provision of additional genetic resources from osteodentine (for species lacking tooth pulp) and cartilage of rare and endangered species held in often uncurated, contemporary and historical dry collections. Such material can usefully supplement estimates of connectivity, population history, and stock viability. We confirm the depauperate haplotype diversity of historical Mediterranean sharks, consistent with founding by a small number of Pacific colonizers. The consequent lack of diversity suggests serious challenges for the maintenance of this top predator and the Mediterranean ecosystem.

Rôle du facteur de transcription PITX1 dans les pathogenèses de l'ostéoporose et des maladies parodontales

L’ostéoporose est une maladie caractérisée par une faible masse osseuse et une détérioration du tissu osseux. Cette condition entraîne une plus grande fragilité osseuse et des risques de fractures. Plusieurs études ont associé l’ostéoporose à la faible densité osseuse des mandibules, à la perte d’attache parodontale, à l’augmentation de la hauteur de la crête alvéolaire et à la chute des dents. Cette étude vise à comprendre les mécanismes sous-jacents cette perte osseuse. En effet, au cours du développement des souris, PITX1 joue un rôle clé dans l'identité des membres postérieurs et dans le bon développement des mandibules et des dents. Son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype squelettique sévère. Tandis que, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose avec une augmentation de la masse osseuse au niveau de l’os cortical et de l’os trabéculaire. Inversement, une étude antérieure chez des jumelles monozygotiques discordantes pour l’ostéoporose, montrent une augmentation d’environ 8.6 fois du niveau d’expression du gène Pitx1 chez la jumelle ostéoporotique. Collectivement, ces données nous ont poussés à investiguer sur le rôle du facteur de transcription PITX1 dans le métabolisme osseux normal et pathologique. Dans ce contexte, des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 sur-exprimant Pitx1 spécifiquement dans le tissu osseux sous le promoteur du collagène de type-I (fragment 2.1kpb) ont été générées et phénotypiquement caractérisées. Ces résultats ont révelé que les souris transgéniques Col1α1-Pitx1 présentaient un phénotype similaire à celui des patients ostéoporotiques accompagné d'une perte de dents et des problèmes dentaires et parodontaux. De plus, cette étude a révélé que la surexpression de Pitx1 induit une altération de l’homéostasie osseuse via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique. Cette hypothèse a été appuyée par le fait que le traitement des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 avec du chlorure de lithium, un activateur de la voie Wnt canonique, prévient le phénotype ostéoporotique chez ces souris. Finalement, cette étude établit un rôle crucial de PITX1 dans la régulation de la masse osseuse et une implication possible dans l’ostéoporose et les maladies parodontales via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique.

Mobilisation des dépôts ectopiques de tissu adipeux : ses implications dans la résolution des comorbidités associées à l'obésité sévère suivant une chirurgie bariatrique

La prévalence de l’obésité sévère ne cesse d’augmenter. La problématique associée à l’obésité sévère est la présence possible de nombreuses comorbidités qui peuvent coexister et altérer le système cardiovasculaire, pulmonaire, endocrinien, articulaire et même favoriser le développement de certains cancers. L’excès de poids, plus particulièrement l’excès de tissu adipeux, sont tous deux liés au développement de ces comorbidités. Aucune donnée n’est disponible quant au rôle de la déposition ectopique du tissu adipeux. Considérant le caractère morbide de l’obésité sévère, la mortalité de toute cause augmentée et l’espérance de vie réduite, à ce jour le seul traitement dit efficace à long terme pour le traitement de l’obésité sévère est la chirurgie bariatrique. L’efficacité est définie par la perte de poids, le maintien à long terme de cette perte de poids ainsi que par l’amélioration ou la résolution des comorbidités. L’intérêt clinique et scientifique pour la chirurgie bariatrique est grandissant. Un nombre important d’études s’intéresse aux mécanismes sous-jacents de la résolution des comorbidités. Le diabète de type 2 est la comorbidité la plus étudiée et peu d’études se sont intéressées aux déterm meil.inants de la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du som Comme premier objectif, cette thèse visait à caractériser les différences de la composition corporelle et de la distribution du tissu adipeux de patients obèses sévères avec ou sans diagnostic de diabète de type 2, d’hypertension artérielle et d’apnée obstructive du sommeil. Le deuxième objectif de cette thèse visait à comparer l’évolution postopératoire suite à une chirurgie bariatrique sur les changements de la composition corporelle et de la distribution du tissu adipeux selon le statut de résolution du diabète de type 2, de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil. De plus, considérant le peu d’évidences dans la littérature au sujet des déterminants de la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil, l’évaluation du profil inflammatoire, des adipokines et de l’activité du système nerveux autonome ont aussi été caractérisés. Premièrement, nous avons documenté qu’en présence d’obésité sévère, la déposition ectopique du tissu adipeux était plus importante chez les patients avec un diabète de type 2, une hypertension artérielle et une apnée obstructive du sommeil comparativement à ceux n’ayant pas ces comorbidités. Nous avons par la suite montré que la résolution du diabète de type 2 et de l’hypertension artérielle était caractérisée par une réduction plus importante du tissu adipeux viscéral. Au contraire, la résolution de l’apnée obstructive du sommeil était plutôt caractérisée par une réduction plus importante du tissu adipeux sous-cutané à la mi-cuisse et par une tendance à une perte de poids plus élevée. De plus, nous avons observé que chez les patients qui n’avaient pas résolu leur diabète de type 2, leur hypertension artérielle et leur apnée obstructive du sommeil, la quantité de tissu adipeux viscéral, à 12 mois suivant la chirurgie bariatrique, était plus importante comparativement à celle mesurée chez les patients n’ayant pas résolu ces comorbidités. Spécifiquement à l’évaluation du profil inflammatoire et des adipokines, nous avons observé que chez les patients obèses sévères, la présence de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil n’était pas caractérisée par un profil altéré au niveau des marqueurs inflammatoires et des adipokines. Également, nous n’avons pas observé de changements majeurs qui pouvaient expliquer, en partie, la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil. Quant à l’activité du système nerveux autonome, nous avons observé une faible activité du système nerveux parasympathique chez les patients obèses sévères avec hypertension artérielle et apnée obstructive du sommeil. Nous avons également documenté que la résolution de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil était associée à une tendance à une augmentation plus importante de l’activité parasympathique du système nerveux autonome. Les résultats obtenus au cours de ce doctorat supportent l’importance de la déposition ectopique du tissu adipeux en situation d’obésité sévère, particulièrement le rôle du tissu adipeux viscéral, dans le développement du diabète de type 2, de l’hypertension artérielle et de l’apnée obstructive du sommeil ainsi que dans la résolution de ces comorbidités suivant une chirurgie bariatrique. D’autres recherches devront davantage s’intéresser à la mobilisation des dépôts ectopiques de tissu adipeux comme un déterminant important dans la résolution à plus long terme de ces comorbidités.

Histochemical studies of chondrogenesis

The formation of the cartilage tissue depends on the coordination of cell to cell or cell to ECM interaction that cause to the cell polarity, migration and differentiation of precursor mesenchymal cells during chondrogenesis Many of these events are mediated by ECM components such as glycocojugates which with their suger residues such as galactose or aminosuger have a ligand role for regulatory molecules. The aim of this study was to identify the presence and distribution of some different glycoconjugates and their suger residues in the chondrogenesis by histochemistry and lectin-histochemistry techniques. For this purpose, embryos from pregnant wistar rats from E12-E20 were collected and fixed. Some of them were stained with alizarin red Salcin blue staining to demonstrate cartilage and bone formation in whole mount embryos. Other embryos with serial sections (5-7micm thikness) were stained by: 1-alcian blue (pH: l) for S-GAG,2-alcin blue (pH:2.5)for C-GAG, S-PAS alcian blue fora neutral and acidic sugers,4- tuloidin blue for metachromatic substances. Stained sections were graded according to the staining intensity (0-5 grading s method). Statistical analysis showed significant difference for those substances among experimental groups. Lectin histochemistry with MPA, VVA, SBA, OFA demonstrated differences between organs for suger residues during chondrogensis. It seems that synthesis and secretion of glycocojugates and change of their suger residues follows a spatiotemporal pattern and developmentaly regulated.

Obtenção de um hidrogel proveniente de proteínas da corvina (micropogonias furnieri) e solubilização das proteínas fibrosas residuais

Com o aumento na captura de pescado e da poluição do meio ambiente, esta-se à margem de exceder a estimativa do limite da sustentabilidade, e obviamente isto faz com se utilize os recursos marítimos com mais inteligência e precaução. Aplicando tecnologia enzimática ou química é possível recuperar as proteínas do processamento do pescado, produzindo hidrolisados e isolados protéicos. Uma grande quantidade de proteínas insolúveis está disponível em escamas, peles e ossos, subprodutos do processamento do pescado, que podem ser solubilizadas através de fungos e bactérias. Utilizando isolados protéicos é possível obter biopolímeros, estes têm chamado a atenção nos últimos anos, pois são biodegradáveis, não-tóxicos e geralmente biocompatíveis. Os hidrogéis protéicos são polímeros que podem absorver uma quantidade de água a partir de 10 até centenas de vezes o seu peso seco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um hidrogel protéico, com propriedades superabsorventes, a partir das proteínas solúveis e insolúveis da corvina (Micropogonias furnieri). Para a produção dos hidrolisados a partir das proteínas solúveis foi utilizado processo enzimático (Alcalase e Flavourzyme) e químico (solubilização ácida e alcalina). Nos processos de solubilização das proteínas insolúveis foram utilizados microrganismos (bactérias e fungos). Tanto as bactérias como os fungos avaliados apresentaram capacidade de solubilizar as proteínas insolúveis presentes nos resíduos (escamas, ossos, cartilagens e outros). A bactéria que atingiu a maior atividade proteolítica foi a Bacillus velesensis (47,56 U mL-1) e o fungo foi o Penicillium sp. (E20) (31,20 U mL-1). Para a produção dos hidrogéis, foram utilizados isolados protéicos provenientes de solubilização ácida ou alcalina, produzidos a partir de resíduos da industrialização de pescado, modificados quimicamente com dianidrido etilenodiamino tetraacético (EDTAD) e adicionados de agente de ligação cruzada (glutaraldeído). Algumas proteínas modificadas ainda foram submetidas a tratamento com etanol. Foram realizadas análise estrutural das proteínas modificadas e estudo da capacidade de retenção de água dos hidrogéis assim obtidos. Os hidrogéis produzidos apresentaram alta capacidade de retenção de água. A máxima absorção de água foi alcançada pelo hidrogel ácido sem o tratamento com etanol foi de 103,25 gágua/ggel seco, enquanto que a mesma amostra tratada com etanol alcançou 216,05 gágua/ggel seco. Os hidrogéis produzidos podem ser utilizados em diversas indústrias, tais como, farmacêutica, alimentícia, médica, agroindústria, entre outras, que necessitem de hidrogéis com alta capacidade de retenção de água.

Periodontitis as a risk factor for systemic disease: Are microparticles the missing link?

International audience