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Hepatocyte suspension for liver cell transplantation : consequences of cryopreservation/thawing and evaluation of the infusion related pro-coagulant activity

by Stéphenne, Xavier

Abstract (Summary)
La transplantation d’hépatocytes est une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement des maladies métaboliques. Elle peut être proposée en alternative à la transplantation de foie entier ou, à tout le moins, en attente de celle-ci chez les patients instables, à risque de décompensation métabolique. Les essais cliniques effectués chez 9 patients aux cliniques St Luc ainsi que ceux publiés dans la littérature démontrent l’intérêt de la transplantation de cellules hépatiques à court et moyen terme. La qualité de la suspension cellulaire transplantée reste le premier facteur limitant pour le développement clinique de la technique. La cryopréservation reste le moyen le plus approprié pour la conservation à long terme des cellules. Elle permet de constituer une banque de cellules pouvant être utilisées à tout moment. Nous avons d’abord analysé les protocoles de cryopréservation décrits dans la litérature, ainsi que leurs limites tant au niveau de la préservation de la qualité cellulaire après décongélation in vitro qu’après transplantation in vivo. Dans ce travail, nous avons démontré l’intérêt d’utiliser des cellules cryopréservées/décongelées, afin de stabiliser des patients atteints de maladies du cycle de l’urée, avant la greffe de foie entier. Les tests de contrôle de qualité effectués sur ces cellules ont cependant montré une altération aux niveaux biochimique et cellulaire, après décongélation. Nous avons ainsi démontré une chute des concentrations intracellulaires d’ATP, signe d’une atteinte mitochondriale. Nos travaux ont également permis de mettre en évidence une diminution de la consommation d’oxygène des hépatocytes en suspension, due plus particulièrement à une atteinte du complexe 1 de la chaîne respiratoire. Cette atteinte mitochondriale peut déjà être observée après l’incubation de la suspension cellulaire à –20°C. Aux alentours de cette température critique se fait le passage de l’état aqueux à l’état cristallin suggérant que les dégâts mitochondriaux observés sont dès lors vraisembablement dus à la formation de glace intracellulaire durant le processus de cryopréservation ou de décongélation. Diverses tentatives visant à améliorer les paramètres mitochondriaux affectés par le processus de congélation/décongélation par l’addition d’agents protecteurs du complexe 1 (Bilobalide), d’ inhibiteurs du pore de transition de perméabilité (Ciclosporine A), d’ anti-oxydants ou encore de solutions hyperosmotiques à la solution de cryopréservation, n’ont pas permis d’améliorer la qualité cellulaire. Le tri de sous-types de populations hépatocytaires ou l’isolement de foies hépatectomisés n’ont pas permis de révéler de différences de capacité de résistance à la cryopréservation. Toujours dans le but d’améliorer le rendement de la transplantation d’hépatocytes et d’augmenter l’efficacité d’implantation dans le parenchyme receveur, nous avons démontré dans la deuxième partie de la thèse la capacité des hépatocytes isolés (fraîchement isolés ou cryopréservés/décongelés) à induire un phénomène de coagulation dépendant du facteur tissulaire. Cette activité pro-coagulante, inhibée in vitro par lea N-acetyl-L-cystéine, pourrait être le point de départ d’une réaction inflammatoire aspécifique influençant ainsi la réussite de la transplantation cellulaire. En conclusion, nous proposons dans ce travail différentes stratégies en vue de l’amélioration du rendement de la thérapie cellulaire. La vitrification, autre technique de cryopréservation, permettrait d’éviter la formation d’eau intracellulaire. Enfin la modulation de l’activité pro-coagulante par la N-acetyl-L-cystéine, due à la transplantation cellulaire, constitue une piste intéressante pour essayer d’améliorer l’implantation des cellules transplantées et ainsi le rendement de la greffe. / Liver cell transplantation provides clinical benefit to patients with congenital metabolic abnormalities and currently represents an alternative to orthotopic liver transplantation or at least an interim measure for unstable patients awaiting transplantation. Our team and others have already demonstrated that transplanted hepatocytes can achieve metabolic control in the short or medium term. The quality of transplanted cells remains the first limiting factor for the success of liver cell transplantation. Because the use of freshly isolated cells is restricted by contemporary organ donation, cryopreservation remains necessary for long-term storage and permanent availability of the cells. In this thesis, we have first reviewed and discussed established hepatocyte cryopreservation protocols, especially the cooling procedure, and have focussed on the in vitro and in vivo assays used for the evaluation of post-thawing hepatocyte quality. Amongst 9 cell transplanted patients in our center, several received exclusively or predominantly cryopreserved/thawed hepatocytes. We demonstrated post-transplantation benefits of using these cells in control patients with congentital abnormalities in the urea cycle, particularly with respect to clear evidence of cell engraftment and de novo appearance of enzyme activity. However, despite these clinical benefits, we found an in vitro relationship between the low post-thawing quality of cryopreserved /thawed hepatocytes and an alteration in their mitochondrial function. This post-thawing mitochondrial damage was already evident after the first ?20°C cryopreservation step of our protocol, suggesting it occurrs early in the process, around the nucleation point, by intracellular ice formation. Cellular impairment could therefore be possibly explained by mechanical alteration of mitochondria due to water crystallisation during the cryopreservation process or thawing procedure. We also observed a poor efficacy of cryopreserved/thawed hepatocytes (as compared to freshly isolated cells) when used liver engraftment in two mice transplantation models. The marked reductions in intracellular ATP concentrations and the decreases in oxygen consumption by hepatocytes were therefore used as markers for the evaluation of the effects of several compounds such as bilobalide, hyperosmotic or anti-oxidant molecules, pore transition permeability inhibitors, and for the evaluation of the resistance of selected hepatocyte subtypes to cryopreservation protocols. We also demonstrated that isolated hepatocytes exert tissue factor-dependent pro-coagulant activity, which may contribute to the early loss of infused cells. We observed that the addition of N-acetyl-L-cysteine to hepatocyte suspensions inhibits coagulation activation. In conclusion, this work has identified several ways to improve the clinical benefit of liver cell transplantation, including new cryopreservation strategies, such as vitrification. In addition, modulation of the pro-coagulant activity induced by cell infusion with N-acetyl-L-cysteine might beneficially enhance cell engraftment.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Université catholique de Louvain

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:tissue factor liver cell transplantation hepatocyte cryopreservation procoagulant activity mitochondria

ISBN:

Date of Publication:11/08/2007

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