A comprehensive dissection of human bone marrow mesenchymal stromal cell heterogeneity

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UNIL restricted access
State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_76F2B1177AD4
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
A comprehensive dissection of human bone marrow mesenchymal stromal cell heterogeneity
Author(s)
Bataclan Charles Christopher C.
Director(s)
Naveiras Olaia
Codirector(s)
Blum Sabine
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2024
Language
english
Number of pages
199
Abstract
Bone marrow mesenchymal stromal cells (BM-MSCs) play a crucial role in maintaining the hematopoietic niche, supporting hematopoiesis, and contributing to bone homeostasis. Despite their importance, the full extent of BM-MSC heterogeneity in humans remains poorly understood. This thesis provides a comprehensive analysis of human BM-MSC heterogeneity and their specialized roles in both normal and diseased states, with a focus on advancing our understanding of their functional diversity and translational potential for regenerative medicine.
Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), we mapped the transcriptional landscape of BM-MSCs freshly isolated from the femoral head of aged and stressed-state donors, revealing distinct non- hematopoietic subpopulations, including CXCL12-abundant reticular (CAR) cells, fibro-chondro cells, and endothelial cells. This high-resolution analysis identified three polarized populations of CAR cells (CXCL12++, EGR1+, and SPON1+), each postulated to have specialized roles in supporting hematopoietic cells and contributing to niche dynamics. Existence of these CAR cells were confirmed through in situ RNA hybridization in both control and stressed-state donors. Additionally, predictive trajectory analysis uncovered fibro-chondro MSCs (PDPN+CD34+CD26+) as apex progenitors within the BM-MSC hierarchy, providing new insights into stromal differentiation pathways.
Furthermore, we observed a convergence of BM-MSCs during in vitro expansion, resulting in diminished transcriptional heterogeneity. This loss of heterogeneity was not restored upon reintroduction into immunodeficient mice via PEG-hydrogel-based ectopic bone marrow ossicles, where the BM-MSCs were predominantly restricted to osteogenic differentiation.
We then explored the implications of MSC heterogeneity across various skeletal subfractions, including cartilage, periosteum, and different anatomical regions of the bone marrow (epiphysis, metaphysis, and diaphysis). Distinct immunophenotypic and functional differences were identified among MSCs derived from these tissues, as confirmed by scRNA-seq. Notably, periosteum-derived MSCs exhibited high progenitor and differentiation capacities, along with robust hematopoietic support, highlighting their functional versatility. We also identified PDPN and CD26 as potential markers for isolating these stem- like MSCs, which notably overlap with fibro-chondro MSCs.
Our differentiation assays also revealed the presence of distinct adipo-progenitors within the bone marrow. To further investigate the role of these adipo-progenitors in hematopoiesis, we developed an in vitro model of modulated adipogenic differentiation. In this model, we demonstrated that adipo- primed, non-lipidated BM-MSCs exhibit enhanced hematopoietic support, promoting both hematopoietic expansion and short-term progenitor activity.
In conclusion, this thesis provides critical insights into the heterogeneity of human BM-MSCs and their functional roles in the hematopoietic niche. By elucidating the transcriptional diversity and functional specialization of BM-MSCs, this work contributes to a broader understanding of bone marrow biology and offers new directions for regenerative medicine, particularly in the context of hematopoietic diseases and bone marrow transplantation.
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Les cellules stromales mésenchymateuses de la moelle osseuse (CSM-MO) jouent un rôle crucial dans le maintien de la niche hématopoïétique, le soutien de l'hématopoïèse et la contribution à l'homéostasie osseuse. Malgré leur importance, l'étendue de l'hétérogénéité des CSM-BM chez l'homme reste mal comprise. Cette thèse fournit une analyse complète de l'hétérogénéité des CSM-BM humaines et de leurs rôles spécialisés dans les états normaux et pathologiques, en mettant l'accent sur l'avancement de notre compréhension de leur diversité fonctionnelle et de leur potentiel translationnel pour la médecine régénérative.
En utilisant le séquençage de l'ARN d'une seule cellule (scRNA-seq), nous avons cartographié le paysage transcriptionnel des CSM-MB fraîchement isolées de la tête fémorale de donneurs âgés et stressés, révélant des sous-populations non-hématopoïétiques distinctes, y compris les cellules réticulaires abondantes en CXCL12 (CAR), les cellules fibro-chondro et les cellules endothéliales. Cette analyse à haute résolution a permis d'identifier trois populations polarisées de cellules CAR (CXCL12++, EGR1+ et SPON1+), chacune étant supposée jouer un rôle spécialisé dans le soutien des cellules hématopoïétiques et contribuer à la dynamique de la niche. L'existence de ces cellules CAR a été confirmée par l'hybridation in situ de l'ARN chez les donneurs témoins et les donneurs stressés. En outre, l'analyse prédictive des trajectoires a révélé que les CSM fibro-chondro (PDPN+CD34+CD26+) étaient des progéniteurs au sommet de la hiérarchie BM-MSC, ce qui a permis de mieux comprendre les voies de différenciation stromale.
En outre, nous avons observé une convergence des CSM-BM au cours de l'expansion in vitro, ce qui a entraîné une diminution de l'hétérogénéité transcriptionnelle. Cette perte d'hétérogénéité n'a pas été restaurée lors de la réintroduction dans des souris immunodéficientes via des osselets de moelle osseuse ectopiques à base de PEG-hydrogel, où les CSM-BM étaient principalement limitées à la différenciation ostéogénique.
Nous avons ensuite étudié les implications de l'hétérogénéité des CSM dans diverses sous-fractions du squelette, y compris le cartilage, le périoste et différentes régions anatomiques de la moelle osseuse (épiphyse, métaphyse et diaphyse). Des différences immunophénotypiques et fonctionnelles distinctes ont été identifiées parmi les CSM dérivées de ces tissus, ce qui a été confirmé par scRNA-seq. Notamment, les CSM dérivées du périoste présentaient de grandes capacités de progéniture et de différenciation, ainsi qu'un support hématopoïétique robuste, soulignant leur polyvalence fonctionnelle. Nous avons également identifié le PDPN et le CD26 comme des marqueurs potentiels pour isoler ces CSM de type souche, qui se chevauchent notamment avec les CSM fibro-chondro.
Nos essais de différenciation ont également révélé la présence de progéniteurs adipocytaires distincts dans la moelle osseuse. Pour étudier plus avant le rôle de ces adipo-progéniteurs dans l'hématopoïèse, nous avons développé un modèle in vitro de différenciation adipogénique modulée. Dans ce modèle, nous avons démontré que les CSM-MB non lipidées et amorcées par l'adipocyte présentent un meilleur soutien hématopoïétique, favorisant à la fois l'expansion hématopoïétique et l'activité des progéniteurs à court terme.
En conclusion, cette thèse apporte un éclairage essentiel sur l'hétérogénéité des CSM-BM humaines et leurs rôles fonctionnels dans la niche hématopoïétique. En élucidant la diversité transcriptionnelle et la spécialisation fonctionnelle des CSM-MB, ce travail contribue à une compréhension plus large de la biologie de la moelle osseuse et offre de nouvelles orientations pour la médecine régénérative, en particulier dans le contexte des maladies hématopoïétiques et de la transplantation de moelle osseuse.
Create date
17/12/2024 11:28
Last modification date
17/01/2025 7:13
Usage data