Evaluation of oxytocin pharmacokinetic : pharmacodynamic profile and establishment of its cardiomyogenic potential in swine

La thérapie cellulaire est une avenue pleine de promesses pour la régénération myocardique, par le remplacement du tissu nécrosé, ou en prévenant l'apoptose du myocarde survivant, ou encore par l'amélioration de la néovascularisation. Les cellules souches de la moelle osseuse (CSMO) expriment des marqueurs cardiaques in vitro quand elles sont exposées à des inducteurs. Pour cette raison, elles ont été utilisées dans la thérapie cellulaire de l'infarctus au myocarde dans des études pre-cliniques et cliniques. Récemment, il a été soulevé de possibles effets bénéfiques de l'ocytocine (OT) lors d’infarctus. Ainsi, l’OT est un inducteur de différenciation cardiaque des cellules souches embryonnaires, et cette différenciation est véhiculée par la voie de signalisation du monoxyde d’azote (NO)-guanylyl cyclase soluble. Toutefois, des données pharmacocinétiques de l’OT lui attribue un profil non linéaire et celui-ci pourrait expliquer les effets pharmacodynamiques controversés, rapportés dans la lttérature. Les objectifs de ce programme doctoral étaient les suivants :  1) Caractériser le profil pharmacocinétique de différents schémas posologiques d'OT chez le porc, en développant une modélisation pharmacocinétique / pharmacodynamique plus adaptée à intégrer les effets biologiques (rénaux, cardiovasculaires) observés.  2) Isoler, différencier et trouver le temps optimal d’induction de la différenciation pour les CSMO porcines (CSMOp), sur la base de l'expression des facteurs de transcription et des protéines structurales cardiaques retrouvées aux différents passages. 3) Induire et quantifier la différenciation cardiaque par l’OT sur les CSMOp.  4) Vérifier le rôle du NO dans cette différenciation cardiaque sur les CSMOp.  Nous avons constaté que le profil pharmacocinétique de l’OT est mieux expliqué par le modèle connu comme target-mediated drug disposition (TMDD), parce que la durée du séjour de l’OT dans l’organisme dépend de sa capacité de liaison à son récepteur, ainsi que de son élimination (métabolisme). D'ailleurs, nous avons constaté que la différenciation cardiomyogénique des CSMOp médiée par l’OT devrait être induite pendant les premiers passages, parce que le nombre de passages modifie le profile phénotypique des CSMOp, ainsi que leur potentiel de différenciation.  Nous avons observé que l’OT est un inducteur de la différenciation cardiomyogénique des CSMOp, parce que les cellules induites par l’OT expriment des marqueurs cardiaques, et l'expression de protéines cardiaques spécifiques a été plus abondante dans les cellules traitées à l’OT en comparaison aux  cellules traitées avec la 5-azacytidine, qui a été largement utilisée comme inducteur de différenciation cardiaque des cellules souches adultes. Aussi, l’OT a causé la prolifération des CMSOp. Finalement, nous avons observé que l'inhibition de la voie de signalisation du NO affecte de manière significative l'expression des protéines cardiaques spécifiques.  En conclusion, ces études précisent un potentiel certain de l’OT dans le cadre de la thérapie cellulaire cardiomyogénique à base de cellules souches adultes, mais soulignent que son utilisation requerra de la prudence et un approfondissement des connaissances. Cell therapy has been suggested as a promising treatment for myocardial regeneration through cardiomyocyte replacement or by preventing apoptosis of surviving myocardium and/or improving neovascularisation. Bone marrow stem cells (BMSCs) express cardiac markers in vitro upon stimulation with different inducers. The BMSCs have been used as cell therapy after myocardial infarction (MI) in pre-clinical and clinical studies. Recent reports have uncovered the potential beneficial effects of oxytocin (OT) after MI. Particularly, OT is an inducer of cardiomyogenic differentiation of embryonic stem cells and this differentiation is mediated by the nitric oxide (NO)-soluble guanylyl cyclase pathway. However, some studies have shown that OT exhibits nonlinear pharmacokinetics and that this could explain the previously described controversial hemodynamic alterations.   Therefore the objectives of the present work were to:   1) Characterize the pharmacokinetic profile of different dosing regimens of OT in swine, by using a more suitable pharmacokinetic / pharmacodynamic modelization that could explain the time-course of cardiovascular and renal effects observed following OT administration.   2) To isolate, differentiate and find the optimum time of porcine BMSC (pBMSC) differentiation based on the expression of cardiac related transcription factors and structural proteins expressed at different passages.   3) To induce and quantify the OT-mediated cardiomyogenic differentiation of pBMSCs.   4) To document the role of the NO pathway in the OT-mediated cardiomyogenic differentiation of pBMSCs.   We found that OT pharmacokinetics are better explained by target-mediated drug disposition (TMDD) kinetics, because the time-course of plasma OT concentration depends on the binding capacity to its receptor, as well as OT elimination (metabolism).  Also, we found that OT-mediated cardiomyogenic differentiation of pBMSCs should be induced during the first passages, because passaging affects the phenotypic profile of pBMSCs, as well as the differentiation potential of pBMSCs.   We observed that OT induces cardiomyogenic differentiation of pBMSCs, because OT-induced cells expressed cardiac markers, and the expression of cardiac specific proteins was more abundant in OT-treated cells vs. 5-azacytidine-treated cells, which has been used widely as a cardiomyogenic differentiation inducer of adult stem cells. Moreover, OT improved proliferation of pBMSCs. Finally, we observed that the inhibition of the NO pathway significantly affects the expression of cardiac specific proteins.  To conclude, these studies demonstrate some interesting potential in cardiomyogenic differentiation of adult stem cells for OT, but its precise role in cell therapy will need prudence and further investigations.

Keyphrases: Ocytocine, Cellules souches adultes, Différenciation cardiomyogénique, Monoxyde d’azote, Porc, Porc, Pharmacokinetic, Pharmacodynamic, Oxytocin, Adult stem cells, Cardiomyogenic differentiation, Nitric oxide, Swine, Pharmacokinetics, Pharmacodynamics