Optimization Studies to Improve MSC-based Cardiac Cell Therapy : Cytokine Preconditioning and Nanoparticle Coupling

Contexte: La cardiopathie ischémique (IHD) reste une cause majeure de mortalité en Amérique du Nord. La thérapie cellulaire cardiaque (CCT) a émergé comme une thérapie prometteuse pour aider à guérir  certaines malades cardiaques. Parmi les cellulaires avec propriétés pluripotentes, les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) sont prometteuses. Cependant, plusieurs questions  demeurent non résolues et certaines défis empêchent l'application clinique de la CCT se dans l'IHD, tels que le faible taux de rétention cellulaire in situ, le suivi des cellules in vivo post-implantation et post-acheminements et l`apoptose. Ici, le  traitement préliminaire des MSC avec des facteurs de croissance et leur couplage avec des nanoparticules (NP) seront étudiés comme des méthodes pour optimiser MSC. Méthodes: Des MSCs provenant du rat (rMSC) et du cochon (pMSC) ont été isolés à partir de moelle osseuse. Les rMSC ont été préconditionnées avec SDF-1a, TSG-6 et PDGF-BB, et ensuite soumises à une hypoxie, une privation de sérum et a un  stress oxydatif. Des études de cicatrisation ont également été effectués avec rMSCs préconditionnées. En parallèle, de nouvelles NP ferromagnétiques liées aux silicones ont été synthétisées. Les NPs ont été couplées aux pMSCs suivant leur fonctionnalisation avec l`anticorps, CD44, un antigène de surface du MSC bien connu. Par la suite, les études de biocompatibilité ont été réalisées sur pMSC-NP et en incluant des tests des processus cellulaires tels que la migration, l'adhésion, la prolifération et les propriétés de la différenciation. Résultats: Parmi toutes les cytokines testées, PDGF-BB a démontré la plus grande capacité à améliorer la survie de MSC dans des conditions d'hypoxie, de privation de sérum et en reponse au stress oxydatif. La conjugaison de NP a  atténué  la migration et la prolifération des pMSCs, mais n`a pas changé leur capacité de différenciation. Enfin, la complexe du MSC-NP est détectable par IRM. Conclusion: Nos données suggèrent que de nouvelles stratégies, telles que traitement préliminaire de PDGF-BB et le couplage des nanoparticules ferromagnétiques, peuvent être considérés comme des avenues prometteuse pour optimiser les MSCs pour la CCT. Background: Ischemic heart disease (IHD) remains a leading cause of mortality in North America. Cardiac cell therapy (CCT) has emerged as a promising therapy to help heal the damaged heart. Among the various candidates for stem-progenitor cells, Mesenchymal Multipotential Stromal/Stem Cells (MSC) is of great promise. However, there remain unresolved issues and challenges that prevent clinical application of MSC-based CCT in IHD. Among the latter, low cellular retention rate, in vivo cell tracking and post-delivery apoptosis. Here in, growth factor preconditioning and MSC coupling to nanoparticles are investigated as methods to optimize MSC. Methods：Lewis Rat MSC (rMSC) and pig MSC (pMSC) were isolated from bone marrow. Rat MSCs were preconditioned with SDF-1a, TSG-6 and PDGF-BB, and then subjected to hypoxia, serum deprivation and oxidative stress.  Wound healing assays were also done with preconditioned rat MSCs. In parallel, novel ferromagnetic silicone core-shell nanoparticles (NP) were synthesized.  Pig MSCs were coupled to NPs following functionalization of the NPs with an antibody to a well-recognized MSC surface antigen, CD44. Subsequently, biocompatibility studies were performed on the pMSC-NP complex and included testing of key cellular processes such as migration, adhesion, proliferation and differentiation properties. Results: Of all cytokines used, PDGF-BB showed greatest capacity to improve MSC survival under conditions of hypoxia, serum deprivation and oxidative stress.  NP conjugation has mitigated effect on the migration and proliferation of pig MSC, but do not change the differentiation capacity of MSC. Finally, the MSC-NP complex was detectable by MRI. Conclusion: Our data suggest that novel strategies, such as PDGF-BB preconditioning and ferromagnetic nanoparticle coupling, can be considered as promising avenues to optimize MSCs for CCT.

Keyphrases: MSC, CCT, PDGF-BB, condition, Nanoparticules Magnétiques, IRM, MSC, CCT, Precondition, PDGF-BB, Magnetic Nano Particles, MRI, condition