Novel biotherapeutic devices: studies with stem cells, nanohybrid viral vectors and microcapsules for cardiovascular applications

Cardiovascular diseases are one of the major causes of death, particularly in the Western world. The main cause of this mortality is myocardial infarction (MI) followed by congestive heart failure. Most of these patients undergo bypass surgery or angioplasty followed by stenting to improve blood supply and oxygenation. Although stents are excellent in providing clinical benefits, they have serious disadvantages resulting in limited biocompatibility, thrombosis, and in-stent restenosis (ISR). On the other side, despite the promising early results with stem cell based myocardial therapy, harvesting and delivering autologous cells from elderly patients still poses logistic, economic, and timing constraints resulting in sub-optimal effects. This thesis aims to: 1) formulate superior cardiac implants for effective myocardial therapy using microencapsulated genetically modified xenogeneic adipose tissue derived mesenchymal stem cells and 2) develop a new bioactive intravascular stent using baculovirus vector-containing polymeric microspheres impregnated on a polymeric stent surface to inhibit ISR. First, the thesis aims to develop suitable polymeric microcapsules for efficient myocardial transplantation of adipose stem cells. The preparation procedure, the structural and physical characteristics of the microcapsules were investigated and compared with earlier established microcapsule systems. Studies were performed in animal models with acute MI to evaluate the in vivo potential. Results show the feasibility of this system as a new class of therapeutic tool for cardiovascular applications which can enhance viable cell retention at transplant site, promote myocardial vasculogenesis, reduce scar area and attenuate progression of cardiac dysfunction. To further enhance the therapeutic efficacy, stem cells were genetically modified before microencapsulation with two newly developed nanohybrid gene delivery systems using angiogenic gene carrying insect cell-specific recombinant baculoviruses (Bac) and nanoparticles (NP). Taken together, the thesis highlights the advantages of using microencapsulated genetically modified stem cells and identifies Bac nanocomplexes as novel gene delivery systems with potential applications in direct gene therapy and combined stem cell-gene therapy.To achieve the second objective, the thesis attempts to enhance re-endothelialization of deployed stents while simultaneously inhibiting intimal hyperplasia by overexpression of VEGF angiogenic genes in the vasculature using novel baculovirus based stent. The prepared stents were characterized and optimized in vitro for favorable gene delivery procedure. Four months in vivo data from balloon denuded canine femoral artery confirmed the pre-clinical efficacy of the developed stent. Overall, this thesis highlights the immense potential of these therapeutic implants as the next generation of biomedical devices with wider applications in cardiovascular and related fields. Further studies will investigate their full potential for clinical trials.Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité, particulièrement dans le monde occidental. L'infarctus du myocarde (IM) suivie par l'insuffisance cardiaque congestive représente les majeures causes de cette mortalité. La plupart de ces patients subissent une chirurgie de pontage ou une angioplastie, suivie par la mise en place d'un stent, afin d'améliorer l'oxygénation du sang et sa circulation. Bien que les stents fournissent des bénéfices cliniques excellents, ils sont associés à de nombreux inconvénients tels que, une moindre biocompatibilité, une thrombose, un blocage du stent et une resténose intrastent (ISR). Cette thèse à pour objectifs de: 1) formuler des implants cardiaques supérieurs pour une thérapie myocardique efficace en utilisant des cellules souches mésenchymateuses - dérivées de tissus adipeux xénogéniques génétiquement modifiés - micro-encapsulées et 2) développer de nouveaux stents bioactifs intra-vasculaires en utilisant des stents polymériques dont la surface soit imprégnée de microsphères polymériques contenant un vecteur baculovirus afin d'inhiber l'ISR. En ce qui concerne la thérapie du myocarde, cette thèse a pour objectif de développer des systèmes de délivrance de microcapsules adaptés pour une délivrance de cellules souches efficace. La procédure de préparation, les caractéristiques structurelles et physiques des capsules, y compris la stabilité mécanique, la libération contrôlée, le stockage à long terme, la nature immuno-protectrice ont été étudiés et comparés aux systèmes de microcapsules établis antérieurement. Des études ont été réalisées sur des modèles animaux atteints d'IM aigu pour évaluer le potentiel in vivo. Les résultats ont montré la faisabilité de ce système en tant que nouvel outil thérapeutique pour des applications cardiovasculaires. Ce système permet d'améliorer la rétention de cellules viables au niveau du site de transplantation, de promouvoir la vasculogénèse myocardique, de réduire la surface des cicatrices et d'atténuer la progression de la dysfonction cardiaque. De plus, deux nouveaux nano-complexes pour la délivrance de gènes ont été développés en utilisant des baculovirus recombinants issus de cellules d'invertébrés spécifiques (Bac) hybridés à des nanoparticules (NP) et NPs de dendrimères polycationiques. Ainsi, cette thèse souligne les avantages de l'utilisation de cellules souches micro-encapsulées qui expriment des protéines angiogéniques fonctionnellement actives. Ceci a des implications dans la réparation du myocarde. De plus, la thèse identifie les nano-complexes Bac comme de nouveaux systèmes de délivrance de gènes avec des applications potentielles en thérapie génique directe et thérapie génique combinée aux cellules souches.Afin d'atteindre le second objectif, la thèse vise à améliorer la ré-endothélialisation des stents déployés en inhibant simultanément l'hyperpasie intimale par la surexpression du VEGF dans le système vasculaire en utilisant de nouveaux stents à élution du gène Bac. Pour cela, des Bac revêtus de dendrimères ont été formulés dans des microsphères polymériques dégradables pour éviter l'inactivation du sérum et permettre une libération contrôlée. Ils ont été intégrés couche par couche à la surface de stents hydrogels revêtus de fibrine pour une délivrance locale de gènes au site de déploiement. Les stents préparés ont été caractérisés et optimisés in vitro pour une procédure de délivrance de gènes appropriée. Quatre mois de données in vivo de l'artère fémorale canine dénudée par un ballon ont confirmé l'efficacité préclinique du stent développé. Pour conclure, cette thèse met en évidence l'immense potentiel de ces implants thérapeutiques comme la prochaine génération de dispositifs biomédicaux avec des applications dans les domaines cardiovasculaires et apparentés. D'autres études seront effectuées pour déterminer leur efficacité clinique