Nouvelles stratégies de thérapie cellulaire à visée pro-angiogénique : implication du système Wnt/Frizzled, Development of novel stem-cell therapies for cardiac diseases and critical hindlimb ischemia : involvement of the Wnt/Frizzled pathway

Université Victor Segalen Bordeaux 2
Année 2010 Thèse n° 1763
THESE
Pour le
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE VICTOR SEGALEN BORDEAUX 2
Mention : Sciences, Technologie, Santé
Option : Biologie Cellulaire et Physiopathologie

Présentée et soutenue publiquement
Le 13 décembre 2010

Par Lionel LEROUX
Né le 03 juin 1971 à Montélimar

NOUVELLES STRATEGIES DE THERAPIE CELLULAIRE A VISEE PRO-
ANGIOGENIQUE : IMPLICATIONS DU SYSTEME WNT/FRIZZLED.

Directeur de Thèse
Monsieur le Professeur Thierry COUFFINHAL


Membres du Jury

Monsieur le Professeur Hubert DE VERNEUIL Président
erMadame le Professeur Patricia LEMARCHAND 1 rapporteur
emeMonsieur le Professeur Bernard LEVY 2 rapporteur
Monsieur le Professeur Thierry COUFFINHAL Directeur de thèse

1















































2

Madame et Messieurs les membres du jury

Vous nous faites l’honneur de juger ce travail, soyez en ici remerciés.






























3
RESUME

La thérapie cellulaire suscite de grands espoirs dans le domaine cardiovasculaire.
Cependant les premières études humaines sont décevantes. Parmi les explications avancées,
citons un mauvais choix de cellules, une méthode de délivrance inadéquate, une préparation
des cellules et des tissus hôtes insuffisante ou une trop grande mortalité cellulaire après
injection.
Durant ce travail nous avons voulu explorer 3 pistes d’optimisation de la thérapie
cellulaire à visée pro-angiogénique utilisant les cellules souches mésenchymateuses (MSC) et
contribué à l’exploration des mécanismes mis en jeu, en particulier en explorant le rôle du
système Wnt/Frizzled.
Nous avons tout d’abord étudié un système original de délivrance de cellules utilisant un
« patch » musculaire cousu en regard d’un myocarde infarci de souris. Puis nous avons
étudié l’effet d’une surexpression de sFRP1, inhibiteur de la voie Wnt, sur un modèle de
matrice sous cutanée. Enfin, nous avons testé l’hypothèse qu’un préconditionnement
hypoxique des cellules permettrait une meilleure survie cellulaire et améliorerait la
réparation vasculaire et tissulaire après ischémie de patte chez la souris.
Nos résultats permettent notamment de montrer que les MSC ont des capacités
d’invasion des tissus ischémiques et qu’elles se différencient en péricytes en formant un
réseau tridimensionnel de soutien aux cellules endothéliales. Par ailleurs, via sFRP1, nous
mettons en évidence un rôle du système Wnt/Fzd dans l’effet pro-angiogénique. Enfin, nous
montrons l’intérêt du préconditionnement hypoxique dont les effets sont médiés par Wnt4.
L’ensemble de ces données permet d’envisager des voies d’optimisation de la thérapie
cellulaire.

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Some of the challenges facing stem-cell therapy for cardiac disease are which type of
stem cell or progenitor cell is the best candidate for therapy, how to survive in the low
oxygen environment of ischemic myocardium. Here we studied the potential of
mesenchymal stem cells (MSCs) as vascular progenitor cells in vitro and in vivo, and we
studied the effects of sFRP-1/Wnt signaling modulation or hypoxia on MSC properties.
First, we demonstrated the beneficial effect of MSC application on ischemic heart
repair using an original surgical model (patch) to deliver stem cells. This study showed that
the contribution of the MSCs in the mouse infarcted myocardium was beneficial either on
the scar (increase in angiogenesis, in cell proliferation, reduction in ventricular remodeling)
or on the trophicity of the patch.
Then we characterized the angiogenic properties of MSC in vitro and in vivo. Our data
demonstrate that MSCs could be recruited and formed vascular structures around
endothelial tubes. We showed in vivo that the surexpression of sFRP-1 (regulating factor of
the Wnt system) in MSCs increased their potential of pericyte-like cells correlated with an
increased maturation of the vessels via an intracellular GSK-3 dependent pathway in MSCs .
Our next objective was to investigate the effects of hypoxia exposure on MSC before
implantation for vascular and tissue regeneration in mice with hind limb ischemia. Our data
suggest that hypoxic preconditioning has a critical role on MSC dynamic functions, shifting
MSC location in situ to enhance ischemic tissue recovery, facilitating vascular cell
mobilization and skeletal myoblast regeneration via a paracrine Wnt dependent mechanism.
4
Titre en Anglais :

Development of novel stem-cell therapies for cardiac diseases and critical hindlimb
ischemia: involvement of the Wnt/Frizzled pathway

Mots clés en Français :
Thérapie cellulaire ; angiogenèse ; infarctus du myocarde ; artériopathie oblitérante des
membres inférieurs ; cellules souches mésenchymateuses ; système Wnt/Frizzled ;
Préconditionnement hypoxique.

Mots clés en Anglais :
Stem cell therapy; angiogenesis; myocardial infarction; hindlimb ischemia; mesenchymal
stem cells; Wnt/Frizzled pathway; hypoxia preconditioning.

Laboratoire :
Unité Inserm U828 – Adaptation cardiovasculaire à l’ischémie
Avenue du Haut-Lévêque, 33600 Pessac, France


















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TABLE DES MATIERES















6
I) ABREVIATIONS .............................................................................................................. 12
II) Avant propos ............ 16
III) Introduction .............................................................................................................. 19
A) Thérapie cellulaire à visée angiogénique ............................................................... 19
1) Développement d’un réseau vasculaire ............................. 19
(a) Généralités .................................................................................................. 19
(b) “Sprouting », « tip cell », « stalk cells » ...................... 21
(c) Rôle des cellules souches ............................................................................ 26
2) Thérapie angiogénique : des facteurs de croissance aux cellules souches ....... 28
3) Les cellules souches candidates pour un usage thérapeutique ......................... 30
(a) Définition des cellules souches ................................................................... 30
(b) Les cellules de la moelle osseuse 32
(c) Les Précurseurs endothéliaux ..................................................................... 34
(d) Les cellules souches mésenchymateuses ................................................... 35
(e) Les myoblastes ............................................................ 40
A) Les études cliniques cardiovasculaires de thérapie cellulaire ............................... 41
1) Les études cliniques de thérapie cellulaire à visée cardiaque ........................... 41
(a) Dans l’infarctus du myocarde ..................................................................... 41
(b) Dans la myocardiopathie dilatée chronique ............... 45
(c) Etudes cliniques à visée cardiaque : limites et perspectives ...................... 46
2) Les études cliniques dans l’artériopathie oblitérante des membres inférieurs.
Limites et perspectives. .................................................................................................... 48
B) Voies d’amélioration des thérapies cellulaires ...................................................... 51
1) Généralités ......................................................................... 51
2) Choix de cellules ................................. 51
3) Mode de délivrance des cellules souches ......................................................... 52
7
4) Modifications ex vivo des cellules souches avant implantation ........................ 56
5) Autres voies d’amélioration de l’efficacité thérapeutique ..............................