Investigating the role of glucose on mesenchymal stem cell-mediated tissue engineering - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Investigating the role of glucose on mesenchymal stem cell-mediated tissue engineering

Étude du rôle du glucose dans l'ingénierie tissulaire médiée par les cellules souches mésenchymateuses

Résumé

Mesenchymal stem cells (MSCs), also referred to as multipotent stromal cells, are promising candidates for tissue engineering and regenerative medicine applications, however, increasing evidence shows that the therapeutic efficacy of MSCs has fallen short of their initial promise and hype due to the observed poor MSC survival and engraftment postimplantation. The hostile ischemic microenvironment, mainly characterized by deprivation of oxygen and nutrients, is responsible for the massive and rapid MSC death upon implantation. Previous studies from the B3OA lab established that the absence of glucose (but not the lack of oxygen), is the culprit for this MSC death. The central hypothesis of this work is that glucose metabolism, a central regulator of stem cell activity, is instrumental for MSCs to enhance their survival and functionalities upon transplantation, and ultimately improve their therapeutic efficacy. As a step towards the engineering of a glucose supplying construct, we hereby propose to investigate whether and how glucose affects MSC paracrine functions pertinent to angiogenesis, and then to develop an enzyme-controlled, nutritive hydrogel with an inbuilt system of glucose delivery to improve MSC survival and functionalities postimplantation. For our first aim, we found that conditioned media (CM) collected from hMSCs cultured in the presence of glucose under near-anoxia (0.1% O2) exhibited significantly higher angiogenic potential when compared to the one collected from hMSCs cultured without glucose. In addition, hMSCs cultured in the absence of glucose under near-anoxia exhibited a higher level of endoplasmic reticulum (ER) stress evidenced by less nascent protein biosynthesis, blockage of protein secretion, and higher activity of PERK pathway when compared to hMSCs cultured in the presence of glucose under near-anoxia. Most importantly, implanted hMSC-containing hydrogels loaded with glucose exhibited an increase in the volume of newly-formed blood vessels when compared to hMSC-containing hydrogels without glucose. For our second aim, we developed a novel fibrin hydrogel, which consists of starch (a polymer of glucose) and amyloglucosidase (AMG, an enzyme that release glucose from starch), to provide physiological levels of glucose to fuel MSCs via glycolysis. hMSCs loaded in this novel starch/AMG hydrogel showed improved cell survival and paracrine functions in vitro up to 14 days. Moreover, this novel nutritive hydrogel enhanced MSC survival and paracrine function pertinent to angiogenesis when implanted subcutaneously in nude mice. However, long-term sustainable production of glucose inside hydrogel and complete resorption of this novel nutritive hydrogel need further investigation. Taken together, our findings demonstrate the positive effects of exogenous glucose on improving hMSCs paracrine functions pertinent to angiogenesis and regulating hMSCs ER stress under an ischemic environment, and establish the proof of concept that a novel inbuilt system of glucose delivery improves MSC survival and angiogenesis post-implantation. These findings inspire the field to employ a glucose-supply strategy in order to improve the therapeutic efficiency of MSC-based cell constructs.
Les cellules souches mésenchymateuses (CSMs), aussi appelé cellules stromales multipotentes, ont été présenté comme des candidates prometteuses pour leurs applications possibles en médecine régénérative. Cependant, leur efficacité thérapeutique est remise en question étant donné leur faible taux de survie post implantation. Le microenvironnement ischémique, principalement caractérisé par une déprivation d'oxygène et de nutriments, est responsable de la mort massive et rapide des CSMs suite à leur implantation. Des études préalables au laboratoire B3OA ont mis en évidence que l'absence de glucose (et non le manque d'oxygène) était responsable de la mort des CSMs. L'hypothèse centrale de cette étude est que le glucose, un régulateur clé de l'activité des cellules souches, est essentiel pour que les CSM puissent survivre à leur implantation, être fonctionnelles in vivo et exprimer pleinement leur potentiel thérapeutique. L'objectif de cette thèse est double : (i) étudier, si et comment, le glucose affecte les fonctions paracrines pro-angiogènes des CSM ; et (ii) développer un hydrogel nutritif à base d'amidon, qui par dégradation enzymatique libère du glucose promouvant ainsi la survie et la fonctionnalité des CSM humaines (hCSM) après implantation. Pour notre premier objectif, nous avons constaté que le milieu conditionné obtenu à partir de hCSM cultivées en présence de glucose en quasi-anoxie (0,1 % d'O2) présentait un potentiel angiogénique significativement plus élevé que celui collecté à partir de hCSM témoins cultivées sans glucose. De façon intéressante, les CSMh cultivées en quasi-anoxie en l'absence de glucose ont présenté un niveau plus élevé de stress du réticulum endoplasmique (RE), par rapport aux hCSM cultivées dans les mêmes conditions en présence de glucose. Enfin, il s'est avéré que des hydrogels cellularisés contenant du glucose implantés en site ectopique murin induisaient une augmentation du volume des vaisseaux sanguins néoformés autour de l'implant plus importante que des hydrogels cellularisés ne contenant pas de glucose. Pour notre second objectif, nous avons développé un hydrogel à base de fibrine, d'amidon (un polymère de glucose) et d'amyloglucosidase (AMG, une enzyme permettant l'hydrolyse du glucose à partir d'amidon) afin de fournir du glucose aux hCSMs à une concentration physiologiquement pertinente. Nous avons observé une augmentation de la survie et des fonctions paracrines des hCSM contenues dans ces hydrogels fibrine/amidon/AMG par rapport aux hydrogels témoins à la fois in vitro (modèle de culture en quasi-anoxie sans glucose) et in vivo (modèle ectopique murin) . Cependant, la cinétique de délivrance à long terme du glucose et la dégradation incomplète de l'amidon pouvant créer un encombrement stérique empêchant la formation de néo-tissus sont des limitations potentielles de cet hydrogel qui nécessitent des recherches supplémentaires afin d'obtenir une formulation optimale de l'hydrogel pour son application en reconstruction tissulaire. En conclusion, ce travail contribue à démontrer l'effet positif d'un apport exogène de glucose sur la survie, les fonctions pro-angiogènes et la régulation du stress du réticulum endoplasmique des hCSM dans un site ischémié. Ce travail permet aussi d'établir la preuve de concept d'un hydrogel, à base de fibrine, d'amidon et d'AMG comme système de délivrance de glucose. Ces découvertes encouragent à employer des stratégies permettant l'apport de glucose afin d'augmenter l'efficacité thérapeutique des produits à base de hCSM utilisé en médecine régénérative.
Fichier principal
Vignette du fichier
va_Luo_Guotian.pdf (42.81 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04216476 , version 1 (25-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04216476 , version 1

Citer

Guotian Luo. Investigating the role of glucose on mesenchymal stem cell-mediated tissue engineering. Biotechnology. Université Paris Cité, 2021. English. ⟨NNT : 2021UNIP7300⟩. ⟨tel-04216476⟩
48 Consultations
3 Téléchargements

Partager

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More