The planarian flatworm: an in vivo model for stem cell biology and nervous system regeneration

Planarian flatworms are an exception among bilaterians in that they possess a large pool of adult stem cells that enables them to promptly regenerate any part of their body, including the brain. Although known for two centuries for their remarkable regenerative capabilities, planarians have only recently emerged as an attractive model for studying regeneration and stem cell biology. This revival is due in part to the availability of a sequenced genome and the development of new technologies, such as RNA interference and next-generation sequencing, which facilitate studies of planarian regeneration at the molecular level. Here, we highlight why planarians are an exciting tool in the study of regeneration and its underlying stem cell biology in vivo, and discuss the potential promises and current limitations of this model organism for stem cell research and regenerative medicine.

Immortalitat

Els humans sempre hem buscat la immortalitat, i potser de tant buscar-la en- cara no ens hem adonat que ja en som. Bé, de fet, com a persones individuals, no som pas immortals, però els nostres gens si que ho són. El raonament és molt simple: si tots els éssers vius descendim d'un mateix ancessor, tots haurem heretat característiques d'ell, codificades al material genètic. Per tant, en tots nosaltres sobreviuen característiques d'aquell reeixit intent vital primigeni, de la mateixa manera que en els nostres descendents, siguin humans o pertanyin a qualsevol altra espècie humanoide successora nostra que la selecció natural afavoreixi, si es dóna el cas, sobreviuran els nostres gens, assegurant-nos la immortalitat genètica [...].

BIOMATERIAIS: TIPOS, APLICAÇÕES E MERCADO

AbstractThe types of compounds used in the production of biomaterials, namely metals, ceramics, synthetic and natural polymers, as well as composite materials, are discussed in the present work, together with details of their application and evolution from biocompatible to bioactive, biodegradable, and biomimetic clinical products. The chemical structure, the three-dimensional structure, and the molecular organization of compounds frequently used in the manufacture of relevant classes of biomaterials are discussed, along with their advantages and some of their major limitations in specific clinical applications. The main chemical, physical, mechanical, and biological requirements of biomaterials categories are presented, as well as typical tissular responses to implanted biomaterials. Reasons for the recent economic growth of the biomaterials market segment are addressed, and the most successful biomaterial categories are discussed, emphasizing areas such as orthopedic and cardiovascular implants, regenerative medicine, tissue engineering, and controlled drug release devices. Finally, the need for the development of innovative and more accessible biomaterials, due to the expected increase in the number of elderly people and the growing trend of personalized medical procedures, is pointed out.

Identification and characterization of new genes and pathways regulating spermatogonial cell fate

Spermatogenesis, i.e sperm production in the seminiferous tubules of the testis, is a complex process that takes over one month to complete. Life-long ability of sperm production ultimately lies in a small population of undifferentiated cells, called spermatogonial stem cells (SSCs). These cells give rise to differentiating spermatogonia, which are committed to mature into spermatozoa. SSCs represent a heterogeneous population of cells and many aspects of their basic biology are still unknown. Understanding the mechanisms behind the cell fate decision of these cells is important to gain more insights into the causes of infertility and testis cancer. In addition, an interesting new aspect is the use of testis-derived stem cells in regenerative medicine. Our data demonstrated that adult mouse testis houses a population of Nanog-expressing spermatogonia. Based on mRNA and protein analysis these cells are enriched in stage XII of the mouse seminiferous epithelial cycle. The cells derived from this stage have the highest capacity to give rise to ES cell-like cells which express Oct4 and Nanog. These cells are under tight non- GDNF regulation but their fate can be dictated by activating p21 signalling. Comparative studies suggested that these cells are regulated like ES cells. Taken together these data imply that pluripotent cells are present in the adult mammalian testis. CIP2A (cancerous inhibitor of PP2A) has been associated with tumour aggressiveness and poor prognosis. In the testis it is expressed by the descendants of stem cells, i.e. the spermatogonial progenitor cells. Our data suggest that CIP2A acts upstream of PLZF and is needed for quantitatively normal spermatogenesis. Classification of CIP2A as a cancer/testis gene makes it an attractive target for cancer therapy. Study on the CIP2A deficient mouse model demonstrates that systemic inhibition of CIP2A does not severely interfere with growth and development or tissue or organ function, except for the spermatogenic output. These data demonstrate that CIP2A is required for quantitatively normal spermatogenesis. Hedgehog (Hh) signalling is involved in the development and maintenance of many different tissues and organs. According to our data, Hh signalling is active at many different levels during rat spermatogenesis: in spermatogonia, spermatocytes and late elongating spermatids. Localization of Suppressor of Fused (SuFu), the negative regulator of the pathway, specifically in early elongating spermatids suggests that Hh signalling needs to be shut down in these cells. Introduction of Hh signalling inhibitor resulted in an increase in germ cell apoptosis. Follicle-stimulating hormone (FSH) and inhibition of receptor tyrosine kinases resulted in down-regulation of Hh signalling. These data show that Hh signalling is under endocrine and paracrine control and it promotes germ cell survival.

Pluripotency and genetic stability of human pluripotent stem cells

Pluripotent cells have the potential to differentiate into all somatic cell types. As the adult human body is unable to regenerate various tissues, pluripotent cells provide an attractive source for regenerative medicine. Human embryonic stem cells (hESCs) can be isolated from blastocyst stage embryos and cultured in the laboratory environment. However, their use in regenerative medicine is restricted due to problems with immunosuppression by the host and ethical legislation. Recently, a new source of pluripotent cells was established via the direct reprogramming of somatic cells. These human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) enable the production of patient specific cell types. However, numerous challenges, such as efficient reprogramming, optimal culture, directed differentiation, genetic stability and tumor risk need to be solved before the launch of therapeutic applications. The main objective of this thesis was to understand the unique properties of human pluripotent stem cells. The specific aims were to identify novel factors involved in maintaining pluripotency, characterize the effects of low oxygen culture on hESCs, and determine the high resolution changes in hESCs and hiPSCs during culture and reprogramming. As a result, the previously uncharacterized protein L1TD1 was determined to be specific for pluripotent cells and essential for the maintenance of pluripotency. The low oxygen culture supported undifferentiated growth and affected expression of stem cell associated transcripts. High resolution screening of hESCs identified a number of culture induced copy number variations and loss of heterozygosity changes. Further, screening of hiPSCs revealed that reprogramming induces high resolution alterations. The results obtained in this thesis have important implications for stem cell and cancer biology and the therapeutic potential of pluripotent cells.

An improved in vivo method for atrioventricular node ablation via thoracotomy

The atrioventricular (AV) node is permanently damaged in approximately 3% of congenital heart surgery operations, requiring implantation of a permanent pacemaker. Improvements in pacemaker design and in alternative treatment modalities require an effective in vivo model of complete heart block (CHB) before testing can be performed in humans. Such a model should enable accurate, reliable, and detectable induction of the surgical pathology. Through our laboratory’s efforts in developing a tissue engineering therapy for CHB, we describe here an improved in vivo model for inducing chronic AV block. The method employs a right thoracotomy in the adult rabbit, from which the right atrial appendage may be retracted to expose an access channel for the AV node. A novel injection device was designed, which both physically restricts needle depth and provides electrical information via electrocardiogram interface. This combination of features provides real-time guidance to the researcher for confirming contact with the AV node, and documents its ablation upon formalin injection. While all animals tested could be induced to acute AV block, those with ECG guidance were more likely to maintain chronic heart block >12 h. Our model enables the researcher to reproduce both CHB and the associated peripheral fibrosis that would be present in an open congenital heart surgery, and which would inevitably impact the design and utility of a tissue engineered AV node replacement.

Immunomodulatory effect of mesenchymal stem cells

Mesenchymal stem cells (MSC) are multipotential nonhematopoietic progenitor cells capable of differentiating into multiple mesenchymal tissues. MSC are able to reconstitute the functional human hematopoietic microenvironment and promote engraftment of hematopoietic stem cells. MSC constitutively express low levels of major histocompatibility complex-I molecules and do not express costimulatory molecules such as CD80, CD86 or CD40, thus lacking immunogenicity. Furthermore, they are able to suppress T- and B-lymphocyte activation and proliferation and may also affect dendritic cell maturation. Based on these properties, MSC are being used in regenerative medicine and also for the treatment of autoimmune diseases and graft-versus-host disease. On the other hand, MSC from patients diagnosed with myelodysplastic syndromes or multiple myeloma display abnormalities, which could play a role in the physiopathology of the disease. Finally, in patients with immune thrombocytopenic purpura, MSC have a reduced proliferative capacity and a lower inhibitory effect on T-cell proliferation compared with MSC from healthy donors.

La mise en marché des produits issus du génie tissulaire: Une question de catégorisation?

Le génie tissulaire est un domaine interdisciplinaire qui applique les principes du génie et des sciences de la vie (notamment la science des cellules souches) dans le but de régénérer et réparer les tissus et organes lésés. En d'autres mots, plutôt que de remplacer les tissus et les organes, on les répare. La recherche en génie tissulaire est considérable et les ambitions sont grandes, notamment celle de mettre fm aux listes d'attente de dons d'organes. Le génie tissulaire a déjà commencé à livrer des produits thérapeutiques pour des applications simples, notamment la peau et le cartilage. Les questions sur la façon de réglementer les produits thérapeutiques qui sont issus du génie tissulaire sont soulevées à chaque nouveau produit. À ce jour, ces questions ont reçu peu d'attention comparativement aux questions éthiques associées aux recherches avec les cellules souches et les risques qu'engendrent les produits biologiques. Il est donc important d'examiner si le cadre normatif qui entoure la mise en marché des produits issus du génie tissulaire est approprié puisque de tels produits sont déjà disponibles sur le marché et plusieurs autres sont en voie de l'être. Notre analyse révèle que le cadre canadien actuel n'est pas approprié et le moment d'une reforme est arrivé. Les États-Unis et l'Union européenne ont chacun des approches particulières qui sont instructives. Nous avons entrepris une revue des textes réglementaires qui encadrent la mise en marché des produits issus du génie tissulaire au Canada, aux États-Unis et dans l'Union européenne et formulons quelques suggestions de réforme.

Enjeux éthiques et sociaux de la nanomédecine : le point sur la question

La nanomédecine, soit l’application des nanotechnologies à des activités médicales (diagnostic, thérapie, suivi du patient, etc.) soulève l’espoir d’une médecine améliorée aux applications extraordinaires, par exemple dans le domaine de la médecine régénérative. La nanomédecine suscite néanmoins des questions éthiques quant à ses buts et ses applications. Dans cette présentation, nous proposons de faire le point sur les enjeux éthiques associés à la nanomédecine. Pour y arriver, nous examinerons la littérature consacrée à ce sujet mais, aussi, les applications concrètes de la nanomédecine.

Dérivation de cellules souches pluripotentes induites autologues à partir du clonage somatique équin

Le recours aux cellules souches pour améliorer la réparation et guérison des blessures et maladies musculosquelettiques chez le cheval est de plus en plus fréquent. Les développements récents dans la reprogrammation cellulaire ont permis le développement de nouvelles sources de cellules souches pour ces thérapies régénératives. Des cellules souches pluripotentes induites (iPS) autologues peuvent être dérivées de cellules adultes par la reprogrammation directe à travers l'expression induite des gènes de pluripotence. Le clonage par transfert nucléaire (SCNT) suivi de la dérivation de cellules souches embryonnaires (ES) permet la reprogrammation indirecte des cellules adultes. Cependant, l’efficacité de ces deux méthodes pour la dérivation de cellules pluripotentes génétiquement stables est faible. Nous avons donc combiné les techniques SCNT et iPS dans le but de développer un protocole efficace de dérivation de cellules iPS autologues à partir de fibroblastes de la peau équine. Quatre facteurs de reprogrammation ont été introduits dans les cellules fibroblastes de fœtus clonés (ntFF) ainsi que les cellules ES provenant d’embryons clonés (ntES) pour induire leur reprogrammation en cellules iPS autologues. Les cellules ntFF-iPS et ntES-iPS ont des capacités prolifératives avancées et expriment des marqueurs de pluripotence importants. Par contre, les cellules ntES ont une efficacité de reprogrammation significativement supérieure aux cellules nt-FF et forment des colonies trois fois plus rapidement. Contrairement aux cellules ntES, les cellules ntES-iPS démontrent une augmentation de l’expression des marqueurs de pluripotence et survivent à la culture cellulaire prolongée. Les résultats présentés dans ce mémoire attestent que l’utilisation de la reprogrammation secondaire de cellules FF et ES clonées permet la production de cellules souches pluripotentes autologues stables chez le cheval.

La nanosanté : perspective et enjeux sociologiques de l'application des nanotechnologies à la médecine.

Considérée comme le futur de la pratique médicale, la nanomédecine est l’application des nanotechnologies aux soins de santé. Plus qu’un nouveau domaine d’application technologique, la nanomédecine est porteuse d’un nouveau paradigme biomédical qui promeut une conception technoscientifique de la santé. Ce nouveau paradigme regroupe sous le préfixe nano l’ensemble des grandes tendances actuelles de la recherche en santé : la médecine prédictive, la médecine personnalisée et la médecine régénératrice. Centré sur le développement d’innovations visant au contrôle technique des éléments et des processus biologiques fondamentaux, ce nouveau paradigme se développe largement grâce au soutien des gouvernements et aux promesses économiques qu’il soulève. Il se construit à la croisée du scientifique, du politique et de l’économique. Interroger la nanomédecine revient alors à examiner plus largement la forme et les conditions du sens des innovations biomédicales et à soulever les implications de la « technoscientifisation » des soins de santé. L’objectif de cette thèse est de rendre compte de la spécificité et des enjeux sociaux, culturels et politico-économiques caractéristiques du modèle biomédical technoscientifique porté par la nanomédecine à partir de sa conceptualisation sous la forme d’un idéaltype : la nanosanté. Si la nanomédecine renvoie de manière générale aux applications techniques de la nanotechnologie au domaine biomédical, la nanosanté renvoie aux diverses dimensions sociologiques constitutives de ces technologies et à leurs effets sur la santé et la société. Notre modèle de la nanosanté s’organise autour de trois dimensions : la transversalité, l’amélioration et la globalisation. Compte tenu de sa nature synthétique, ce modèle tridimensionnel permet iii d’aborder de front plusieurs questionnements cruciaux soulevés par le développement de la nanomédecine. Il permet d’éclairer le rapport contemporain à la santé et ses implications sur l’identité ; de mettre en lumière la centralité des technosciences dans la conception du progrès médical et social ; de mieux saisir les nouvelles formes globales de pouvoir sur la vie et les nouvelles formes d’inégalité et d’exploitation caractéristiques d’une société qui accorde une valeur grandissante à l’adaptabilité technique de l’humain et à l’économisation de la santé et du corps ; mais aussi de mieux comprendre le sens et les répercussions de l’engagement scientifique, politique et économique dans les innovations moléculaires et cellulaires.

Le discours de l'innovation technologique en médecine régénératrice

Le discours sur l’innovation oriente la recherche scientifique médicale publique vers un développement technologique et économique à court terme. À ce titre, la médecine régénératrice est une thérapie innovatrice marquée par une logique d’accumulation spéculative qui porte à la fois sur les cellules humaines et sur la façon de mener la recherche. Or, une réorganisation de la recherche scientifique liée à une nouvelle conception économique de la science et de la technologie ainsi qu’un rôle différent attribué à l’État constituent le cadre institutionnel contemporain qui émerge à la fin des années 1970. Le changement induit par cette idée d’innovation et sur lequel s’attarde ce mémoire porte non pas sur l’usage ou la destination de la science, mais sur l’extension du raisonnement économique. Celui-ci ne survient pas à l’étape du développement, après que la recherche ait été effectuée en vertu du modèle de la « Big Science ». Au contraire, il remonte du marché pour s’installer très tôt au stade de la compréhension des mécanismes biologiques et dans un espace qui relève de la propriété collective : le laboratoire public. Le passage du caractère « exogène » à « endogène » de la recherche scientifique publique vis-à-vis de l’économie est au cœur d’une discussion sur l’hégémonie de la logique de marché.

Transhumanisme et Cellules Souches : travail à la frontière de la gériatrie biomédicale

La recherche scientifique biomédicale dans le domaine des cellules souches et plus largement de la médecine régénérative offre aujourd’hui des promesses d’applications thérapeutiques révolutionnaires pour de nombreuses maladies. Pourtant, il semble que pour certains, ces avancées pourraient servir d’autres desseins, notamment en ce qui concerne l’amélioration biologique de l’humain vers des objectifs de contrôle voire d’inversion du processus de vieillissement. Beaucoup de ceux qui tiennent à ces idées appartiennent à un mouvement, dit transhumaniste, où ils s’accordent sur des idées et valeurs communes concernant l’avenir de l’humain. Plus que cela, certains de ces acteurs transhumanistes prennent activement part à la recherche scientifique et orientent celle-ci vers les valeurs qu’ils soutiennent, touchant ainsi aux frontières de disciplines scientifiques établies et à la démarcation entre science et pseudoscience. En s’appuyant sur les concepts de recherche confinée / recherche de plein air, de forum hybride et de travail aux frontières, la présente recherche explore la place que les chercheurs transhumanistes occupent dans la recherche scientifique institutionnelle et se questionne sur la façon et les moyens qu’ils mettent en oeuvre pour y prendre part. À partir de la constitution et de l’analyse d’un corpus documentaire transhumaniste sur les cellules souches, mais aussi en décrivant le réseau auquel les chercheurs transhumanistes appartiennent, l’étude apporte une perspective nouvelle sur le mouvement transhumaniste. Les résultats obtenus montrent que les chercheurs transhumanistes ne se cantonnent pas à produire des discours et des représentations de leurs idées et de leurs valeurs, mais participent activement à la réalisation de celles-ci en menant eux-mêmes des recherches et en infiltrant la recherche scientifique institutionnelle.

Immune potential and differentiation of equine induced pluripotent stem cells (eiPSC)

Induced pluripotent stem cells (iPSC) have the capacity to self renew and differentiate into a myriad of cell types making them potential candidates for cell therapy and regenerative medicine. The goal of this thesis was to determine the characteristics of equine iPSC (eiPSC) that can be harnessed for potential use in veterinary regenerative medicine. Trauma to a horse’s limb often leads to the development of a chronic non-healing wound that lacks a keratinocyte cover, vital to healing. Thus, the overall hypothesis of this thesis was that eiPSC might offer a solution for providing wound coverage for such problematic wounds. Prior to considering eiPSC for clinical applications, their immunogenicity must be studied to ensure that the transplanted cells will be accepted and integrate into host tissues. The first objective of this thesis was to determine the immune response to eiPSC. To investigate the immunogenicity of eiPSC, the expression of major histocompatibility complex (MHC) molecules by the selected lines was determined, then the cells were used in an intradermal transplantation model developed for this study. While transplantation of allogeneic, undifferentiated eiPSC elicited a moderate cellular response in experimental horses, it did not cause acute rejection. This strategy enabled the selection of weakly immunogenic eiPSC lines for subsequent differentiation into lineages of therapeutic importance. Equine iPSC offer a potential solution to deficient epithelial coverage by providing a keratinocyte graft with the ability to differentiate into other accessory structures of the epidermis. The second objective of this thesis was to develop a protocol for the differentiation of eiPSC into a keratinocyte lineage. The protocol was shown to be highly efficient at inducing the anticipated phenotype within 30 days. Indeed, the eiPSC derived vi keratinocytes (eiPSC-KC) showed both morphologic and functional characteristics of primary equine keratinocytes (PEK). Moreover, the proliferative capacity of eiPSC-KC was superior while the migratory capacity, measured as the ability to epithelialize in vitro wounds, was comparable to that of PEK, suggesting exciting potential for grafting onto in vivo wound models. In conclusion, equine iPSC-derived keratinocytes exhibit features that are promising to the development of a stem cell-based skin construct with the potential to fully regenerate lost or damaged skin in horses. However, since eiPSC do not fully escape immune surveillance despite low MHC expression, strategies to improve engraftment of iPSC derivatives must be pursued.

Identification de déterminants impliqués dans la différenciation des cellules souches embryonnaires

Les cellules souches ont attiré l’attention du public ces dernières années, grâce non-seulement à leur utilisation comme thérapies visant à s’attaquer à certains types de cancers, mais aussi en relation avec leur potentiel dans le domaine de la médecine regénérative. Il est établi que le destin cellulaire des cellules souches embryonnaires (ESC) est régulé de façon intensive par un groupe de facteur clés agissant sur leur pluripotence. Il est néanmoins envisageable que certains déterminants influençant l’auto-renouvellement et la différenciation de ces cellules soient toujours inconnus. Afin de tester cette hypothèse, nous avons généré, en utilisant une méthode par infections virales, une collection de ESC contenant des délétions chromosomales chevauchantes que nous avons baptisée DelES (Deletion in ES cells). Cette librairie contient plus de 1000 clones indépendants dont les régions délétées couvrent environ 25% du génome murin. À l’aide de cette ressource, nous avons conduit un criblage de formation de corps embryoïdes (EB), démontrant que plusieurs clones délétés avaient un phénotype de différenciation anormal. Nos études de complémentation sur un groupe de clones ont par la suite permis l’identification de Rps14 - un gène codant pour une protéine ribosomale (RP) comme étant haploinsuffisant pour la formation de EB. Dans un deuxième temps, l’analyse approfondie des résultats de notre crible a permis d’identifier un groupe de gènes codants pour des RP qui semblent essentiels pour la différenciation des ESC, mais dispensables pour leur auto-renouvellement. De manière intéressante, les phénotypes anormaux de formation en EB les plus marqués sont associés à des délétions de RP qui se retrouvent au site de sortie des ARN messagers (ARNm) du ribosome, soit Rps5, Rps14 et Rps28. Étonnament, alors qu’un débalancement des RP conduit généralement à une réponse de type p53, l’haploinsuffisance de ces trois gènes ne peut être renversée par une simple réduction des niveaux d’expression de ce gène suppresseur de tumeurs. Finalement, nos études de profilage polysomal et de séquençage à haut-débit montrent une signature spécifique de gènes liés au mésoderme chez un clone hétérozygote pour Rps5, suggérant ainsi une explication au phénotype de différenciation p53-indépendant identifié chez ces ESC. Nos travaux rapportent donc la création d’une ressource intéressante de génomique fonctionnelle qui a permis de mettre à jour le rôle essentiel que jouent les RP dans le processus de formation de EB. Nos résultats permettent aussi de documenter une réponse p53-indépendante suite à un débalancement de RP dans un contexte opposant l’auto-renouvellement et la différenciation des ESC.