Les cytokines inflammatoires modulent la prolifération et la différenciation in vitro des cellules souches/progénitrices de la moelle épinière.

La moelle épinière (MÉ) est essentielle pour relier les informations motrices et sensorielles entre le cerveau et la périphérie. Malheureusement, elle peut facilement être endommagée suite à un traumatisme médullaire (TM) ou des pathologies comme la sclérose en plaques. Chez les vertébrés inférieurs, tels les amphibiens, la MÉ lésée se régénère via ses cellules souches endogènes, alors que celle des mammifères démontre une très faible habileté régénératrice post-traumatique. Des travaux récents ont démontré que la MÉ des mammifères contient des cellules souches neurales latentes correspondant aux cellules épendymaires du canal central. D’autres études ont prouvé qu’à la suite d’un TM, les cellules souches épendymaires (cSÉ) prolifèrent, migrent vers le site de la lésion et se différencient principalement en cellules gliales. Promouvoir la régénération de la MÉ endommagée via la modulation des cellules souches endogènes devient donc une voie thérapeutique intéressante. Isolant des cellules souches/progénitrices de la MÉ via la culture de neurosphères (NS), nos études in vitro, en présence de cytokines inflammatoires ou de milieu conditionné auxmacrophages, suggèrent que la réponse inflammatoire influence fortement la prolifération et la différentiation des cSÉ. Dans l’objectif de définir le programme génétique relié à l’activation des cSÉ de la MÉ, nous avons débuté l’élaboration d’un protocole d’isolement des cSÉ à l’aide d’un modèle de souris transgénique.

Validation des effets antidiabétiques de Rhododendron groenlandicum, une plante médicinale des Cri de la Baie James, dans le modèle in vitro et in vivo : élucidation des mécanismes d’action et identification des composés actifs

Le diabète est un syndrome métabolique caractérisé par une hyperglycémie chronique due à un défaut de sécrétion de l’insuline, de l’action de l’insuline (sensibilité), ou une combinaison des deux. Plus d'un million de canadiens vivent actuellement avec le diabète. La prévalence de cette maladie est au moins trois fois plus élevée chez les autochtones que dans la population canadienne en général. Notre équipe vise à étudier les effets potentiellement antidiabétiques de certaines plantes médicinales utilisées par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec) où l’adhérence aux traitements médicamenteux est faible, en partie à cause de la déconnection culturelle de ces derniers. Grâce à une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées par cette population pour traiter des symptômes du diabète. Parmi ces plantes, l’extrait éthanolique de Rhododendron groenlandicum (Thé du Labrador) a montré un fort potentiel antidiabétique chez plusieurs lignées cellulaires, notamment les adipocytes (3T3-L1). Cette plante induit la différenciation adipocytaire probablement par l’activation du peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Cette stimulation améliore la résistance à l’insuline et constitue un mécanisme privilégié pour une classe de médicaments antidiabétiques, les thiazolidinediones. Le but de la présente étude est de valider l’efficacité et l’innocuité de R. groenlandicum in vivo, dans un modèle animal de résistance à l’insuline, d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets antidiabétiques et d’identifier les principes actifs responsables de son activité. L'isolation et l'identification des constituants actifs ont été réalisées à l’aide d'une approche de fractionnement guidé par bioessai; en l'occurrence, l'adipogénèse. Cette approche, réalisée dans la lignée adipocytaire 3T3-L1, a pour but de mesurer leur teneur en triglycérides. Des études in vivo ont été réalisées sur le modèle de souris DIO (diet induced obesity). L'extrait éthanolique du R. groenlandicum a été incorporé à la nourriture grasse (35% d’apport calorique lipidique) à trois doses différentes (125, 250 et 500 mg / kg) sur une période de 8 semaines. Des tissus cibles de l’insuline (foie, muscle squelettique et tissus adipeux) ont été récoltés afin de faire des analyses d’immunobuvardage de type western. La quercétine, la catéchine et l’épicatéchine ont été identifiées comme étant les composés actifs responsables de l'effet antidiabétique du R. groenlandicum. Seules la catéchine et l’épicatéchine activent l’adipogénèse uniquement à forte concentration (125-150 M), tandis que la quercétine l’inhibe. L’étude in vivo a montré que le traitement avec R. groenlandicum chez les souris DIO réduit le gain de poids de 6%, diminue l'hyperglycémie de 13% et l’insulinémie plasmatique de 65% et prévient l’apparition des stéatoses hépatiques (diminution de 42% de triglycéride dans le foie) sans être toxique. Les analyses d’immunobuvardage ont montré que R. groenlandicum stimule la voie de l’insuline via la phosphorylation de l’Akt et a augmenté le contenu protéique en Glut 4 dans les muscles des souris traitées. Par contre, dans le foie, le R. groenlandicum passerait par deux voies différentes, soit la voie insulino-dépendante par l’activation de l’AKT, soit la voie insulino-indépendante par la stimulation de l’AMPK. L’amélioration observée des stéatoses hépatiques chez les souris DIO traitées, a été confirmée par une baisse du facteur de transcription, SREBP-1, impliqué dans la lipogénèse de novo, ainsi qu’une diminution de l’inflammation hépatique (diminution de l’activité d’IKK α/β). En conclusion, l’ensemble de ces résultats soutiennent le potentiel thérapeutique de Rhododendron groenlandicum et de ses composants actifs dans le traitement et la prévention du diabète de type 2. Nous avons validé l'innocuité et l'efficacité de cette plante issue de la médecine traditionnelle Cri, qui pourrait être un traitement alternatif du diabète de type 2 dans une population ayant une faible adhérence au traitement pharmacologique existant.

Establishing a Robust In Vitro Embryonic Stem Cell Differentiation Assay to Monitor the Hematopoietic Potential of DELES Clones

Afin d’effectuer des études fonctionnelles sur le génome de la souris, notre laboratoire a généré une bibliothèque de clones de cellules souches embryonnaires (ESC) présentant des suppressions chromosomiques chevauchantes aléatoires – la bibliothèque DELES. Cette bibliothèque contient des délétions couvrant environ 25% du génome murin. Dans le laboratoire, nous comptons identifier de nouveaux déterminants du destin des cellules hématopoïétiques en utilisant cet outil. Un crible primaire utilisant la benzidine pour démontrer la présence d'hémoglobine dans des corps embryoïdes (EBS) a permis d’identifier plusieurs clones délétés présentant un phénotype hématopoïétique anormal. Comme cet essai ne vérifie que la présence d'hémoglobine, le but de mon projet est d'établir un essai in vitro de différenciation des ESC permettant de mesurer le potentiel hématopoïétique de clones DELES. Mon hypothèse est que l’essai de différenciation hématopoïétique publié par le Dr Keller peut être importé dans notre laboratoire et utilisé pour étudier l'engagement hématopoïétique des clones DELES. À l’aide d’essais de RT-QPCR et de FACS, j’ai pu contrôler la cinétique de différenciation hématopoïétique en suivant l’expression des gènes hématopoïétiques et des marqueurs de surface comme CD41, c-kit, RUNX1, GATA2, CD45, β-globine 1 et TER-119. Cet essai sera utilisé pour valider le potentiel hématopoïétique des clones DELES candidats identifiés dans le crible principal. Mon projet secondaire vise à utiliser la même stratégie rétro-virale a base de Cre-loxP utilisée pour générer la bibliothèque DELES pour générer une bibliothèque de cellules KBM-7 contenant des suppressions chromosomiques chevauchantes. Mon but ici est de tester si la lignée cellulaire leuémique humaine presque haploïde KBM-7 peut être exploitée en utilisant l'approche DELES pour créer cette bibliothèque. La bibliothèque de clones KBM-7 servira à définir les activités moléculaires de drogues anti-leucémiques potentielless que nous avons identifiées dans le laboratoire parce qu’elles inhibent la croissance cellulaire dans plusieurs échantillons de leucémie myéloïde aiguë dérivés de patients. Elle me permettra également d'identifier les voies de signalisation moléculaires qui, lorsque génétiquement perturbées, peuvent conférer une résistance à ces drogues.

Establishing a Robust In Vitro Embryonic Stem Cell Differentiation Assay to Monitor the Hematopoietic Potential of DELES Clones

Afin d’effectuer des études fonctionnelles sur le génome de la souris, notre laboratoire a généré une bibliothèque de clones de cellules souches embryonnaires (ESC) présentant des suppressions chromosomiques chevauchantes aléatoires – la bibliothèque DELES. Cette bibliothèque contient des délétions couvrant environ 25% du génome murin. Dans le laboratoire, nous comptons identifier de nouveaux déterminants du destin des cellules hématopoïétiques en utilisant cet outil. Un crible primaire utilisant la benzidine pour démontrer la présence d'hémoglobine dans des corps embryoïdes (EBS) a permis d’identifier plusieurs clones délétés présentant un phénotype hématopoïétique anormal. Comme cet essai ne vérifie que la présence d'hémoglobine, le but de mon projet est d'établir un essai in vitro de différenciation des ESC permettant de mesurer le potentiel hématopoïétique de clones DELES. Mon hypothèse est que l’essai de différenciation hématopoïétique publié par le Dr Keller peut être importé dans notre laboratoire et utilisé pour étudier l'engagement hématopoïétique des clones DELES. À l’aide d’essais de RT-QPCR et de FACS, j’ai pu contrôler la cinétique de différenciation hématopoïétique en suivant l’expression des gènes hématopoïétiques et des marqueurs de surface comme CD41, c-kit, RUNX1, GATA2, CD45, β-globine 1 et TER-119. Cet essai sera utilisé pour valider le potentiel hématopoïétique des clones DELES candidats identifiés dans le crible principal. Mon projet secondaire vise à utiliser la même stratégie rétro-virale a base de Cre-loxP utilisée pour générer la bibliothèque DELES pour générer une bibliothèque de cellules KBM-7 contenant des suppressions chromosomiques chevauchantes. Mon but ici est de tester si la lignée cellulaire leuémique humaine presque haploïde KBM-7 peut être exploitée en utilisant l'approche DELES pour créer cette bibliothèque. La bibliothèque de clones KBM-7 servira à définir les activités moléculaires de drogues anti-leucémiques potentielless que nous avons identifiées dans le laboratoire parce qu’elles inhibent la croissance cellulaire dans plusieurs échantillons de leucémie myéloïde aiguë dérivés de patients. Elle me permettra également d'identifier les voies de signalisation moléculaires qui, lorsque génétiquement perturbées, peuvent conférer une résistance à ces drogues.

Les plasmocytes et leur niche: Étude de la génération de plasmocytes humains in vitro

Chez l’humain, les lymphocytes B mémoires IgG+ et IgA+ sont des cellules clés de l’immunité humorale. Ces cellules mémoires sont maintenues à long-terme dans notre organisme. Elles représentent une défense rapide et efficace contre toutes les infections que nous avons déjà vaincues pendant notre vie. Ces cellules mémoires qui rencontrent à nouveau leur antigène se différencient rapidement en plasmocytes à courte vie, et permettent la sécrétion massive d’immunoglobuline (Ig). La contrepartie mémoire de ces cellules sont les plasmocytes à longue vie qui sont présents dans les niches de la moelle osseuse et y sécrètent en permanence des anticorps protecteurs qui circulent dans le sang. Ces cellules sécrétrices peuvent avoir une durée de vie allant de dizaines d’années à la vie entière de l’individu. Les patients qui reçoivent des traitements de chimiothérapie ou de radiothérapie sont privés de ces cellules mémoires détruites par ces traitements au même titre que les cellules cancéreuses. Ces patients deviennent vulnérables aux infections et leur survie dépend de la régénération rapide de leur système hématopoïétique. Notre équipe a déjà mis au point une méthode pour préparer de grandes quantités des cellules mémoires capables de sécréter des IgG et des IgA. Les présents travaux visent à générer des plasmocytes fonctionnels et capables de survivre à long terme in vitro. La stratégie expérimentale visait à établir des conditions permettant de se rapprocher de l’environnement de la moelle osseuse. Dans un premier temps, nous avons étudié les paramètres permettant la différenciation des lymphocytes B mémoires en plasmocytes. Étant donné l’importance du potentiel redox dans l’environnement de la moelle osseuse, nous avons d’abord tenté d’en contrôler l’impact avec un antioxydant, le N-acétyle cystéine (NAC). Nos résultats ont démontré que le NAC avait un effet significatif et diminuait la phosphorylation de la protéine STAT3 en raison d’une inhibition des kinases JAK2 et JAK3. Étonnamment, cet antioxydant retardait la différenciation de nos lymphocytes B qui étaient stimulés avec une forte interaction CD40-CD154. Par la suite, la comparaison des interactions CD40-CD154 et CD27-CD70 a permis de conclure qu’il était essentiel de réduire à son minimum l’interaction CD40-CD154 et qu’il fallait ajouter les cytokines IL-6 et IL-10. Les cellules CD31+CD38+CD138+ générées présentaient un phénotype similaire à celui des plasmocytes de la moelle osseuse. Malheureusement la fréquence de ces cellules était faible et leur viabilité insuffisante. Afin d’augmenter la survie de ces cellules le dernier volet de nos travaux visait à se rapprocher des niches de la moelle osseuse. Notre but a été atteint en ajoutant des cellules mésenchymateuses issues de la moelle osseuse en présence de 8% de dioxygène (O2). Les cellules CD31+CD38+CD138+ générées ont une excellente viabilité et représentent plus de 50% des cellules totales en culture. De plus, le modèle de culture est maintenant établi dans un milieu exempt de sérum et de protéines animales. Dans l’ensemble, nos résultats permettent de proposer la production ex vivo de plasmocytes autologues avec une perspective thérapeutique pour réduire les risques d’infections des patients devenues immunodéficients, suite à un traitement de radiothérapie ou de chimiothérapie.

Evaluation of polycaprolactone scaffold degradation for 6 months in vitro and in vivo

The use of polycaprolactone (PCL) as a biomaterial, especially in the fields of drug delivery and tissue engineering, has enjoyed significant growth. Understanding how such a device or scaffold eventually degrades in vivo is paramount as the defect site regenerates and remodels. Degradation studies of three-dimensional PCL and PCL-based composite scaffolds were conducted in vitro (in phosphate buffered saline) and in vivo (rabbit model). Results up to 6 months are reported. All samples recorded virtually no molecular weight changes after 6 months, with a maximum mass loss of only about 7% from the PCL-composite scaffolds degraded in vivo, and a minimum of 1% from PCL scaffolds. Overall, crystallinity increased slightly because of the effects of polymer recrystallization. This was also a contributory factor for the observed stiffness increment in some of the samples, while only the PCL-composite scaffold registered a decrease. Histological examination of the in vivo samples revealed good biocompatibility, with no adverse host tissue reactions up to 6 months. Preliminary results of medical-grade PCL scaffolds, which were implanted for 2 years in a critical-sized rabbit calvarial defect site, are also reported here and support our scaffold design goal for gradual and late molecular weight decreases combined with excellent long-term biocompatibility and bone regeneration. (C) 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res 90A: 906-919, 2009

Evaluation of the in vitro bioactivity of bioceramics

Two common methods have been used to evaluate the in vitro bioactivity of bioceramics for the application of bone repair. One is to evaluate the ability of apatite formation by soaking ceramics in simulated body fluids (SBF); the other method is to evaluate the effect of ceramics on osteogenic differentiation using cell experiments. Both methods have their own drawbacks in evaluating the in vitro bioactivity of bioceramics. In this commentary paper we review the application of both methods in bioactivity of bioceramics and conclude that (i) SBF method is an efficient method to investigate the in vitro bioactivity of silicate-based bioceramics, (ii) cellular bioactivity of bioceramics should be investigated by evaluating their stimulatory ability using standard bioceramics as controls; and (iii) the combination of these two methods to evaluate the in vitro bioactivity of bioceramics can improve the screening efficiency for the selection of bioactive ceramics for bone regeneration.

Mathematical models for describing the shape of the in vitro unstretched human crystalline lens

We developed orthogonal least-squares techniques for fitting crystalline lens shapes, and used the bootstrap method to determine uncertainties associated with the estimated vertex radii of curvature and asphericities of five different models. Three existing models were investigated including one that uses two separate conics for the anterior and posterior surfaces, and two whole lens models based on a modulated hyperbolic cosine function and on a generalized conic function. Two new models were proposed including one that uses two interdependent conics and a polynomial based whole lens model. The models were used to describe the in vitro shape for a data set of twenty human lenses with ages 7–82 years. The two-conic-surface model (7 mm zone diameter) and the interdependent surfaces model had significantly lower merit functions than the other three models for the data set, indicating that most likely they can describe human lens shape over a wide age range better than the other models (although with the two-conic-surfaces model being unable to describe the lens equatorial region). Considerable differences were found between some models regarding estimates of radii of curvature and surface asphericities. The hyperbolic cosine model and the new polynomial based whole lens model had the best precision in determining the radii of curvature and surface asphericities across the five considered models. Most models found significant increase in anterior, but not posterior, radius of curvature with age. Most models found a wide scatter of asphericities, but with the asphericities usually being positive and not significantly related to age. As the interdependent surfaces model had lower merit function than three whole lens models, there is further scope to develop an accurate model of the complete shape of human lenses of all ages. The results highlight the continued difficulty in selecting an appropriate model for the crystalline lens shape.

In vitro and in vivo analysis of co-electrospun scaffolds made of medical grade poly(epsilon-caprolactone) and porcine collagen

In this study, a nanofiber mesh made by co-electrospinning medical grade poly(epsilon-caprolactone) and collagen (mPCL/Col) was fabricated and studied. Its mechanical properties and characteristics were analyzed and compared to mPCL meshes. mPCL/Col meshes showed a reduction in strength but an increase in ductility when compared to PCL meshes. In vitro assays revealed that mPCL/Col supported the attachment and proliferation of smooth muscle cells on both sides of the mesh. In vivo studies in the corpus cavernosa of rabbits revealed that the mPCL/Col scaffold used in conjunction with autologous smooth muscle cells resulted in better integration with host tissue when compared to cell free scaffolds. On a cellular level preseeded scaffolds showed a minimized foreign body reaction.

Elucidating the links between UV radiation and vitamin D synthesis : using an in vitro model

Ultraviolet radiation (UV) is the carcinogen that causes the most common malignancy in humans – skin cancer. However, moderate UV exposure is essential for producing vitaminDin our skin. VitaminDincreases the absorption of calcium from the diet, and adequate calcium is necessary for the building and maintenance of bones. Thus, low levels of vitamin D can cause osteomalacia and rickets and contribute to osteoporosis. Emerging evidence also suggests vitamin D may protect against falls, internal cancers, psychiatric conditions, autoimmune diseases and cardiovascular diseases. Since the dominant source of vitamin D is sunlight exposure, there is a need to understand what is a “balanced” level of sun exposure to maintain an adequate level of vitamin D but minimise the risks of eye damage, skin damage and skin cancer resulting from excessive UV exposure. There are many steps in the pathway from incoming solar UV to the eventual vitamin D status of humans (measured as 25-hydroxyvitamin D in the blood), and our knowledge about many of these steps is currently incomplete. This project begins by investigating the levels of UV available for synthesising vitamin D, and how these levels vary across seasons, latitudes and times of the day. The thesis then covers experiments conducted with an in vitro model, which was developed to study several aspects of vitamin D synthesis. Results from the model suggest the relationship between UV dose and vitamin D is not linear. This is an important input into public health messages regarding ‘safe’ UV exposure: larger doses of UV, beyond a certain limit, may not continue to produce vitamin D; however, they will increase the risk of skin cancers and eye damage. The model also showed that, when given identical doses of UV, the amount of vitamin D produced was impacted by temperature. In humans, a temperature-dependent reaction must occur in the top layers of human skin, prior to vitamin D entering the bloodstream. The hypothesis will be raised that cooler temperatures (occurring in winter and at high latitudes) may reduce vitamin D production in humans. Finally, the model has also been used to study the wavelengths of UV thought to be responsible for producing vitamin D. It appears that vitamin D production is limited to a small range of UV wavelengths, which may be narrower than previously thought. Together, these results suggest that further research is needed into the ability of humans to synthesise vitamin D from sunlight. In particular, more information is needed about the dose-response relationship in humans and to investigate the proposed impact of temperature. Having an accurate action spectrum will also be essential for measuring the available levels of vitamin D-effective UV. As this research continues, it will contribute to the scientific evidence-base needed for devising a public health message that will balance the risks of excessive UV exposure with maintaining adequate vitamin D.