Effect of remote ischaemic preconditioning in cardiac dysfunction and end-organ injury following cardiac surgery with cardiopulmonary bypass in children: A translational approach investigating clinical outcome and myocardial molecular biology

Congenital heart disease (CHD) is the most common birth defect, causing an important rate of morbidity and mortality. Treatment of CHD requires surgical correction in a significant percentage of cases which exposes patients to cardiac and end organ injury. Cardiac surgical procedures often require the utilisation of cardiopulmonary bypass (CPB), a system that replaces heart and lungs function by diverting circulation into an external circuit. The use of CPB can initiate potent inflammatory responses, in addition a proportion of procedures require a period of aortic cross clamp during which the heart is rendered ischaemic and is exposed to injury. High O2 concentrations are used during cardiac procedures and when circulation is re-established to the heart which had adjusted metabolically to ischaemia, further injury is caused in a process known as ischaemic reperfusion injury (IRI). Several strategies are in place in order to protect the heart during surgery, however injury is still caused, having detrimental effects in patients at short and long term. Remote ischaemic preconditioning (RIPC) is a technique proposed as a potential cardioprotective measure. It consists of exposing a remote tissue bed to brief episodes of ischaemia prior to surgery in order to activate protective pathways that would act during CPB, ischaemia and reperfusion. This study aimed to assess RIPC in paediatric patients requiring CHD surgical correction with a translational approach, integrating clinical outcome, marker analysis, cardiac function parameters and molecular mechanisms within the cardiac tissue. A prospective, single blinded, randomized, controlled trial was conducted applying a RIPC protocol to randomised patients through episodes of limb ischaemia on the day before surgery which was repeated right before the surgery started, after anaesthesia induction. Blood samples were obtained before surgery and at three post-operative time points from venous lines, additional pre and post-bypass blood samples were obtained from the right atrium. Myocardial tissue was resected during the ischaemic period of surgery. Echocardiographic images were obtained before the surgery started after anaesthetic induction and the day after surgery, images were stored for later off line analysis. PICU surveillance data was collected including ventilation parameters, inotrope use, standard laboratory analysis and six hourly blood gas analysis. Pre and post-operative quantitation of markers in blood specimens included cardiac troponin I (cTnI) and B-type natriuretic peptide (BNP), inflammatory mediators including interleukins IL-6, IL-8, IL-10, tumour necrosis factor (TNF-α), and the adhesion molecules ICAM-1 and VCAM-1; the renal marker Cystatin C and the cardiovascular markers asymmetric dymethylarginine (ADMA) and symmetric dymethylarginine (SDMA). Nitric oxide (NO) metabolites and cyclic guanosine monophosphate (cGMP) were measured before and after bypass. Myocardial tissue was processed at baseline and after incubation at hyperoxic concentration during four hours in order to mimic surgical conditions. Expression of genes involved in IRI and RIPC pathways was analysed including heat shock proteins (HSPs), toll like receptors (TLRs), transcription factors nuclear factor κ-B (NF- κ-B) and hypoxia inducible factor 1 (HIF-1). The participation of hydrogen sulfide enzymatic genes, apelin and its receptor were explored. There was no significant difference according to group allocation in any of the echocardiographic parameters. There was a tendency for higher cTnI values and inotropic score in control patients post-operatively, however this was not statistically significant. BNP presented no significant difference according to group allocation. Inflammatory parameters tended to be higher in the control group, however only TNF- α was significantly higher. There was no difference in levels of Cystatin C, NO metabolites, cGMP, ADMA or SDMA. RIPC patients required shorter PICU stay, all other clinical and laboratory analysis presented no difference related to the intervention. Gene expression analysis revealed interesting patterns before and after incubation. HSP-60 presented a lower expression at baseline in tissue corresponding to RIPC patients, no other differences were found. This study provided with valuable descriptive information on previously known and newly explored parameters in the study population. Demographic characteristics and the presence of cyanosis before surgery influenced patterns of activity in several parameters, numerous indicators were linked to the degree of injury suffered by the myocardium. RIPC did not reduce markers of cardiac injury or improved echocardiographic parameters and it did not have an effect on end organ function; some effects were seen in inflammatory responses and gene expression analysis. Nevertheless, an important clinical outcome indicator, PICU length of stay was reduced suggesting benefit from the intervention. Larger studies with more statistical power could determine if the tendency of lower injury and inflammatory markers linked to RIPC is real. The present results mostly support findings of larger multicentre trials which have reported no cardiac benefit from RIPC in paediatric cardiac surgery.

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.

Rôle du facteur de transcription HNF1α dans la promotion du diabète par l’intermédiaire d’hormones intestinales

HNF1α (hepatocyte nuclear factor-1α) est un facteur de transcription exprimé dans le foie, le pancréas, les reins, l’estomac, l’intestin grêle et le côlon. Il a été démontré que des mutations du gène codant pour cette protéine sont associées à un diabète non insulinodépendant MODY3. De plus, les souris déficientes pour l’expression de Hnf1α souffrent d’hyperglycémie. Ces animaux mutants semblent produire de l’insuline mais présentent cependant une altération de la sécrétion de cette hormone au niveau du pancréas. Dans une précédente étude, nous avons démontré que certains marqueurs de cellules entéroendocrines impliqués dans l’homéostasie du glucose étaient modulés chez les animaux mutants comparativement aux animaux contrôles notamment la ghréline, le Gip, la somatostatine. Notre hypothèse de recherche est que la perte de Hnf1α conditionne la promotion du diabète par l’intermédiaire d’hormones intestinales. Nous avons observé, chez les animaux mutants, une augmentation de l’expression du transcrit, du nombre de cellules positives ainsi que des taux plasmatiques de ghréline. Cette hormone étant reliée à l’homéostasie du glucose, nous avons suivi les variations de la glycémie et des taux d’insuline chez nos animaux. Nous avons observé une hyperglycémie accompagnée d’une diminution des taux d’insuline chez nos animaux mutants. Ces souris présentent une prise alimentaire augmentée, une polyurie et une polydipsie élevées, symptômes connus du diabète. Le traitement de 6 jours sur les souris Hnf1α[indice supérieur -/-] avec un antagoniste commercial du récepteur à la ghréline GHSR1a, le (D-Lys3)-GHRP-6 de BACHEM®, montre un rétablissement de la glycémie proche des valeurs normales, de même qu’une augmentation significative des taux d’insuline plasmatiques des souris traitées, une diminution de la polyurie, de la polydipsie et de la glycosurie. Les souris mutantes traitées avec cet antagoniste voient leur tolérance au glucose améliorée même en cas de choc glycémique. Nous avons, enfin, documenté la régulation possible de Hnf1α vis-à-vis du gène codant pour la ghréline. Des infections lentivirales, réalisées sur des cellules MIN6 avec un shARN dirigé contre le transcrit Hnf1α, montrent une augmentation des taux d’expression du transcrit ghréline. Nous avons également mis en évidence l’interaction physique entre Hnf1α et le promoteur ghréline en plusieurs sites par des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine. L’ensemble de ces résultats suggère que la perte de Hnf1α chez la souris joue un rôle dans la promotion de l’hyperglycémie par l’intermédiaire d’une dérégulation de la production de ghréline.

Vitronectin modulates human mesenchymal stem cell response to insulin-like growth factor-I and transforming growth factor beta 1 in a serum-free environment

The use of animal sera for the culture of therapeutically important cells impedes the clinical use of the cells. We sought to characterize the functional response of human mesenchymal stem cells (hMSCs) to specific proteins known to exist in bone tissue with a view to eliminating the requirement of animal sera. Insulin-like growth factor-I (IGF-I), via IGF binding protein-3 or -5 (IGFBP-3 or -5) and transforming growth factor-beta 1 (TGF-beta(1)) are known to associate with the extracellular matrix (ECM) protein vitronectin (VN) and elicit functional responses in a range of cell types in vitro. We found that specific combinations of VN, IGFBP-3 or -5, and IGF-I or TGF-beta(1) could stimulate initial functional responses in hMSCs and that IGF-I or TGF-beta(1) induced hMSC aggregation, but VN concentration modulated this effect. We speculated that the aggregation effect may be due to endogenous protease activity, although we found that neither IGF-I nor TGF-beta(1) affected the functional expression of matrix metalloprotease-2 or -9, two common proteases expressed by hMSCs. In summary, combinations of the ECM and growth factors described herein may form the basis of defined cell culture media supplements, although the effect of endogenous protease expression on the function of such proteins requires investigation.

The cell surface glycoprotein CUB domain-containing protein 1 (CDCP1) contributes to epidermal growth factor receptor-mediated cell migration

Epidermal growth factor (EGF) activation of the EGF receptor (EGFR) is an important mediator of cell migration, and aberrant signaling via this system promotes a number of malignancies including ovarian cancer. We have identified the cell surface glycoprotein CDCP1 as a key regulator of EGF/EGFR-induced cell migration. We show that signaling via EGF/EGFR induces migration of ovarian cancer Caov3 and OVCA420 cells with concomitant up-regulation of CDCP1 mRNA and protein. Consistent with a role in cell migration CDCP1 relocates from cell-cell junctions to punctate structures on filopodia after activation of EGFR. Significantly, disruption of CDCP1 either by silencing or the use of a function blocking antibody efficiently reduces EGF/EGFR-induced cell migration of Caov3 and OVCA420 cells. We also show that up-regulation of CDCP1 is inhibited by pharmacological agents blocking ERK but not Src signaling, indicating that the RAS/RAF/MEK/ERK pathway is required downstream of EGF/EGFR to induce increased expression of CDCP1. Our immunohistochemical analysis of benign, primary, and metastatic serous epithelial ovarian tumors demonstrates that CDCP1 is expressed during progression of this cancer. These data highlight a novel role for CDCP1 in EGF/EGFR-induced cell migration and indicate that targeting of CDCP1 may be a rational approach to inhibit progression of cancers driven by EGFR signaling including those resistant to anti-EGFR drugs because of activating mutations in the RAS/RAF/MEK/ERK pathway.

Melanocortin-1 receptor genotype is a risk factor for basal and squamous cell carcinoma

MC1R gene variants have previously been associated with red hair and fair skin color, moreover skin ultraviolet sensitivity and a strong association with melanoma has been demonstrated for three variant alleles that are active in influencing pigmentation: Arg151Cys, Arg160Trp, and Asp294His. This study has confirmed these pigmentary associations with MC1R genotype in a collection of 220 individuals drawn from the Nambour community in Queensland, Australia, 111 of whom were at high risk and 109 at low risk of basal cell carcinoma and squamous cell carcinoma. Comparative allele frequencies for nine MC1R variants that have been reported in the Caucasian population were determined for these two groups, and an association between prevalence of basal cell carcinoma, squamous cell carcinoma, solar keratosis and the same three active MC1R variant alleles was demonstrated [odds ratio = 3.15 95% CI (1.7, 5.82)]. Three other commonly occurring variant alleles: Val60Leu, Val92Met, and Arg163Gln were identified as having a minimal impact on pigmentation phenotype as well as basal cell carcinoma and squamous cell carcinoma risk. A significant heterozygote effect was demonstrated where individuals carrying a single MC1R variant allele were more likely to have fair and sun sensitive skin as well as carriage of a solar lesion when compared with those individuals with a consensus MC1R genotype. After adjusting for the effects of pigmentation on the association between MC1R variant alleles and basal cell carcinoma and squamous cell carcinoma risk, the association persisted, confirming that presence of at least one variant allele remains informative in terms of predicting risk for developing a solar-induced skin lesion beyond that information wained through observation of pigmentation phenotype.

The B subunit of coagulation factor XIII is linked to renin and the Duffy blood group to α-spectrin on human chromosome 1

Family linkage studies were used to detect two linkage relationships on human chromosome 1. The B subunit of coagulation factor XIII showed significant linkage to renin with a maximum lod score of 5.071 at a distance of 10 cM. Significant linkage was also shown between the Duffy blood group and α-spectrin with linkage results giving a combined lod score of 3.194 at 5 cM.