Cellules souches adultes, ES et ips: quel choix faire pour l oreille? Université Montpellier

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1 Cellules souches adultes, ES et ips: quel choix faire pour l oreille? DU Médecine Régénératrice Année Pr. A. ZINE Université Montpellier

2 Structure de l oreille humaine Vestibule Cochlée Externe Moyenne Interne Surdité de conduction Surdité neurosensorielle Surdités

3 Représentation schématique de l oreille interne Zine (2014). Med Sci, 30:

4 Développement de l oreille interne

5 Placodes sensorielles Chez l'humain, la formation des placodes sensorielles a lieu à la 5 ème semaine du développement embryonnaire

6 Développement de l oreille interne chez la souris Kelley M, Nature Neurosci Rev; 2006

7 Développement de l oreille interne chez la souris Placode otique Ectoderm Placode Otic vesicle Sensory epithelium Hair cells EGF, IGF1, members of FGF family (Fgf3, Fgf10), and BMP members (bmp4) Notch signaling, Hes/Hey genes and Atoh1 transcription factors

8 Développement de l oreille interne chez l Homme

9 Développement de l oreille interne chez l Homme

10 Développement de l oreille interne chez l Homme Gestational week

11 Cochlée: organe sensoriel 0,5 mm Cochlée d'un fœtus humain de 5 mois

12 L épithélium sensoriel: organe de Corti CCIs Stéréocils CCEs Surface apicale de l organe de Corti MT CCEs HeC CCIs DC Cochlée en microscope électronique Photos: Dr. M. Lenoir (INSERM) SGN MB Coupe transversale de l organe de Corti

13 Perte des cellules ciliées cochléaires et surdité neurosensorielle CCI CCE Cochlée saine Cochlée pathologique Perte irréversible des CCs

14 Comparaison des capacités régénératives des CCs chez les Vertébrés Espèce Sans lésion Après lésion Poissons Production des CCs Régénération spontanée Amphibiens durant toute la vie Oiseaux Production des CCs Régénération spontanée limitée à la naissance Mammifères Production des CCs Pas de Régénération limitée avant la naissance

15 Régénération des CCs chez les Poissons & Amphibiens

16 L épithélium sensoriel du saccule des Amphibiens Production continue des CCs Gale et al., J. Neurobiol; 2002.

17 Régénération des CCs chez les Oiseaux

18 Régénération des CCs des Oiseaux Normal Hair Cells Damaged Hair Cells Regenerated Hair Cell Bundles Corwin and Cotanche, Science 1988 Ryals and Rubel, Science 1988

19 Différentes voies de régénération des CCs chez les Oiseaux Staecker and Van de Water. Curr Opin Neurobiol; 1998

20 Oiseaux normal damaged regenerated Souris normal damaged NO REGENERATION Potentiel de l'utilisation des cellules souches pour induire une régénération des CCs..? Rat images were generated by Dr. M. Lenoir

21 Thérapie cellulaire

22 Cellules souches adultes

23 Cellules souches adultes Oreille Oeil q Multipotentes persistent chez l'homme adulte. Elles peuvent donner un certain type de cellules uniquement

24 Protocole d isolation des cellules souches adultes de la cochlée Cochlée de la souris Epithélium cochléaire in vitro Formation des sphères Sélection des progéniteurs Différenciation en cellules ciliées & cellules de soutien Savary et.al. Stem Cells; 2007

25 Identification des cellules souches de type SP: expression de l Abcg2 Abcg2 is a member of the ABC transporter superfamily Full length transporter ABC transporters have the ability to efflux a wide range of substrates, many of which are therapeutic agents (chemotherapeutic drugs)

26 Distinct population of hair cell progenitors can be isolated from the postnatal mouse cochlea using side population analysis Etienne Savary, Jean Philippe Hugnot, Yolaine Chassigneux, Cecile Travo, Christophe, Duperray, Thomas Van De Water and Azel Zine Cellules souches de type SP dans l épithélium cochléaire Calbindin Abcg2 Merge P27 kip1 Abcg2 Merge Expression de l Abcg2 dans l épithélium cochléaire Savary et.al. Stem Cells; 2007

27 Protocole d isolation et de maintenance des cellules souches de types SP + Hoechst staining P3 mouse Collect inner ears Dissect cochlear epithelia Dissociate cells into single cell suspension FACS-cell sorting?? Culture assay for mitosis & HC differentiation FACS sorted cells Hoechst Blue (440 nm) SP NSP Hoecsht Red (675 nm)

28 Distinct population of hair cell progenitors can be isolated from the postnatal mouse cochlea using side population analysis Etienne Savary, Jean Philippe Hugnot, Yolaine Chassigneux, Cecile Travo, Christophe, Duperray, Thomas Van De Water and Azel Zine Cellules souches cochléaires de types SP

29 Potentiel de prolifération Sphères 5 ème génération Sphères 10 ème génération Savary et.al. Stem Cells; 2007

30 Distinct population of hair cell progenitors can be isolated from the postnatal mouse cochlea using side population analysis Etienne Savary, Jean Philippe Hugnot, Yolaine Chassigneux, Cecile Travo, Christophe, Duperray, Thomas Van De Water and Azel Zine Potentiel de différenciation Les cellules SP se différencient en cellules exprimant les marqueurs des CCs (Fimbrin, MyoVIIa) et des cellules de soutien (p27)

31 Potentiel de différenciation en CCs MyosinVIIa Sox2 MyosinVIIa Sox2 1 semaine de différenciation 2 semaines de différenciation Savary et al. Mechanisms of Development; 2008

32 Lgr5 marqueur des cellules souches intestinales Lgr5+ cells give rise to all intestinal cell types Barker N, Nature 2007 Overexpression of ß-catenin expands Lgr5+ stem cells ß-catenin Barker N, Nature 2009 Lgr5+ stem cells

33 Lgr5 est exprimé au niveau des cellules de soutien P1 Lgr5-GFP Myosin VIIa 3rd Deiter s cells Inner pillar cells Inner border cells 4-5 cells in greater epithelial ridge Sox2 33

34 Les cellules Lgr5 + sont des progeniteurs des CCs Unsorted Sox2-GFP Lgr5-GFP Myosin VIIa Myosin VIIa Lgr5-GFP Sox2 (%) des CCs 2±1 9.3±3 31±6.5

35 Différenciation des cellules Lgr5 positives Shi et al. J of Neurosci; 2012

36 Cellules souches murines: ESCs & ipscs vers CCs

37 Cell lineage specification in vitro cell guidance protocols BMP epidermis ectoderm cranial placodes non-neural ectoderm embryonic stem cell TGFb/ Activin WNT neural ectoderm CNS PNS BMP heart, blood vessels, connective tissue, kidney etc mesendoderm intermediate mesoderm lung, liver, stomach, intestines, pancreas, etc definitive endoderm

38

39 Suppression of Meso- and Endodermal Cell Differentiation by Interference with Wnt- and TGF-β Signaling Oshima et al., Cell 141: , 2010

40 Otic Induction Is Most Efficient in D/S/I-Treated ESCs and ipscs Oshima et al., Cell 141: , 2010

41 Differentiation into Hair Cell-like Cells Oshima et al., Cell 141: , 2010

42 Les CCs issues de la différenciation des ESCs et ipscs ont des stéréocils Oshima et al., Cell 141: , 2010

43 Les stéréocils des CCs ont des liens apicaux Oshima et al., Cell 141: , 2010

44 Courants électriques voltage-dépendants des CCs issues des cellules ESCS et ipscs

45 Réponses mécaniques des stéréocils des CCs issues des cellules ESCs et ipscs Oshima et al., Cell 141: , 2010

46 ESCs humaines vers neurones oreille interne

47 Chen et al., Nature 2012

48 Otic epithelial and otic neural progenitors Chen et al., Nature 2012

49 Transplanted cells provide a recovery of ABR thresholds (functional recovery) Chen et al., Nature 2012

50 ESCs murines vers epithélium sensoriel de l oreille interne

51 matrigel OEPD (otic-epibranchial placode domain) induction in mice Serum-free Floating culture of Embryoid Body-like aggregates with quick reaggregation Koehler et al., Nature 2013

52 Koehler et al., Nature 2013 Overview of in vitro differentiation

53 Développement de l oreille interne à partir de l ectoderme définitif CSE: cellule souche embryonnaire; ED: ectoderme définitif; ENN: ectoderme non neural; EPP: épithélium pré-placodal; TGFβ: transforming growth factor β; Aggrégat FGF: fibroblast growth factor; BMP: bone morphogenetic protein; BMPi: inhibition de la voie BMP; TGFβi: inhibition de la voie TGFβ Zine (2014). Med Sci, 30:

54 Stem-cell-derived otic vesicles generate functional inner ear HCs Koehler et al., Nature 2013

55 Stem-cell-derived sensory epithelia are comparable to immature vestibular epithélium Koehler et al., Nature 2013

56 ESCs murines & humaines vers epithélium rétinal

57 Self-organisation of optic cup in vitro VOL.7 NO nature protocols

58 Self-organizing optic cup formation in 3D ESC culture VOL.7 NO nature protocols

59 VOL.7 NO nature protocols

60 Induction of polarized cortical tissues from mouse ESCs VOL.7 NO nature protocols