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Increasing drug resistance towards the front line influenza neUraminidase inhibitor Oseltamivir (Tamiflu®, Roche) has recently been reported, emphasising the need to perform further studies to gain insight into receptor ligand interactions. Recently, influenza neuraminidase activity has been tackled using a novel class of mechanism-based inactivator, which incorporates fluorine atoms at positions C-2 and C-3 of sialic acid. These inactivators are anticipated to be less susceptible to drug induced resistance as they target essential catalytic amino acids. However, individual hydrogen-bonding interactions formed between these inactivators and the neuraminidase in both the Michaelis complex and at the transition-state remain unclear. The syntheses of the four novel monodeoxygenated 2,3-difluorosialic acid inactivators at position C-4,C-7, C-8 and C-9 deploying a Barton-McCombie protocol were accomplished. The time-dependant inactivation of wild type influenza neuraminidase N9 G70C by these monodeoxygenated 2,3-difluorosialic acid inactivators was tested in a fluorescent kinetic assay. Further biochemical evaluation (performed by our collaborators) in ICso measurements against a panel of influenza viruses including wild types (wt.) and Oseltamivir resistant mutants showed potent inhibition of influenza Band H1 N1 strains. We also wished to develop a further understanding of the effects of the monodeoxygenated 2,3-difluorosialic acid inactivators upon inactivation on a physical basis. Hence, we will discuss X-ray crystallographic structures, (obtained by our collaborators) of influenza neuraminidase N9 in complex with the monodeoxygenated 2,3-difluoro-sialic acid inactivators. 11

Severe influenza virus infection, including human infection with highly pathogenic H5N1 viruses is characterised by massive pulmonary inflammation, immunopathology and excessive cytokine production, a process in which macrophages may play a vital role. The aim of this project was to investigate the hypothesis that inhibition of inflammatory responses from infected macrophages, using either alternatively activated bone marrow derived macrophages (BMDMf), or IFNg receptor deficient (IFNgR-/-) mice may ameliorate the devastating immunopathology and inflammation routinely observed in highly pathogenic influenza virus infections. Infection of alternatively activated BMDMf resulted in enhanced positivity for viral proteins, compared with classically activated, inflammatory BMDMf. However, neither subset propagated the infection indicating that while infection is abortive in both classical and alternatively activated BMDMf, the latter may prove more efficient at removing infectious virus from the site of infection due to enhanced infectivity. However, influenza virus was capable of driving expression of proinflammatory mediators such as iNOS and TNFa from classical and alternatively activated BMDMf even in the absence of IFNg signalling. IFNgR-/- BMDMf demonstrated a reduced inflammatory response to infection compared to Sv129 counterparts, suggesting a potentially impaired inflammatory response in vivo. This was investigated by infection of IFNgR-/- mice, which resulted in ameliorated disease, lower viral titres and mild immunopathology, demonstrating that inhibition of IFNg signalling limits the severity of disease. Additionally, mRNA expression for key inflammatory mediators was reduced, demonstrating that inhibition of the overwhelming inflammatory response to influenza virus infection is beneficial to the host, resulting in protection from immunopathology and improved prognosis, without impairing viral clearance.

Protective immunity against influenza virus infection is believed to be mediated by neutralising antibodies. Despite substantial evidence in animal models which suggests critical roles for T cells in viral clearance, the precise role of cellular immunity in human influenza immunity remains uncertain. The first aim of this project was to determine cellular immune responses in seronegative human volunteers following nasal challenge with live seasonal H3N2 or H1N1 viruses. T cell responses before and during infection were mapped. A large increase in both breadth and magnitude in influenza-specific CD4⁺ T cell responses was seen in the blood by day 7, when virus was completely cleared from nasal samples and serum antibodies were still undetectable. These acutely expanded T cells were shown to be highly activated (CD38⁺) and proliferating (Ki-67⁺). Pre-existing CD4⁺ T cells, but not CD8⁺, specific to internal proteins nucleoprotein and matrix proteins, were associated with lower virus shedding and less severe illness. These influenza-specific T cells also responded to A/California/07/2009 (H1N1) peptides, were able to kill antigen-loaded autologous B cell lines in vitro and were polyfunctional in cytokine production. The second aim was to assess the cellular immune responses to unadjuvanted, inactivated seasonal and pandemic A/California/07/2009 (H1N1) influenza vaccines. 151 healthy adult volunteers were vaccinated: modest influenza-specific T cell responses were induced, and specific responses to HA and NA peptide pools were found to be mediated by CD4⁺ T cells. Activated and proliferating cells induced during vaccination were found to be of a central memory phenotype. Lastly, I explored the link between antibody production and CD4⁺ T cells. The ability of CXCR5⁺ CD4⁺ T cells from peripheral blood to support antibody production was examined and antigen-specific CD4⁺ T cells with helper functions could be found in the peripheral blood of healthy volunteers with memory influenza-specific T cells. This thesis suggests that influenzaspecific CD4⁺ T cells have an important role in limiting the severity of influenza infection in the absence of specific antibody responses through a number of mechanisms. This work provides information on how cellular immunity can be targeted in conferring broad protection against different subtypes of influenza A viruses in the development of universal flu vaccine.

Chaque année, les épidémies de grippe, dont les principaux agents étiologiques sont les virus influenza de type A, ont un impact considérable sur la population en terme de morbidité et de mortalité. Le virus influenza A comporte à sa surface deux glycoprotéines, la neuraminidase et l’hémagglutinine. Ces deux protéines ont des fonctions antagonistes : l’hémagglutinine permet l’entrée du virus dans la cellule hôte et la neuraminidase, par son activité sialidase, libère les nouveaux virions formés. Bien que la prophylaxie du virus grippal repose essentiellement sur la vaccination, les antiviraux jouent un rôle important dans la lutte contre les épidémies de grippe et dans la stratégie développée en prévision d'une pandémie grippale. Les inhibiteurs de la neuraminidase (INAs) sont des antiviraux efficaces contre la grippe. Ils inhibent l’activité enzymatique de la neuraminidase et empêchent la libération des nouveaux virions formés. La démarche méthodologique qui a conduit à l’élaboration de molécules ciblant la neuraminidase laissait espérer une apparition limitée de résistance. Cependant, des cas de résistances aux INAs ont été mis en évidence lors d’études cliniques. Outre la nécessité d’une surveillance étroite, il est donc important d’étudier et de comprendre les diverses mécanismes susceptibles d’induire une résistance aux INAs. Le travail de cette thèse s’est ainsi porté sur la compréhension de la diversité des mécanismes de résistance. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact de mutations sur l’ensemble des résidus structuraux du site actif de la neuraminidase. Nous avons observé que la plupart de ces mutations n’altéraient pas les caractéristiques du virus et induisaient une légère baisse de sensibilité aux INAs. Par la suite, nous avons cherché à explorer les possibilités de synergie dans la résistance aux INAs par la combinaison de deux mutations structurales du site actif de la neuraminidase. Sur quatre virus produits, seul le virus possédant la double mutation E119V+I222L était viable, malgré une capacité réplicative in vitro altérée. La combinaison de ces deux mutations induit une synergie dans la résistance à l’oseltamivir. Enfin, nous avons voulu intégrer l’interaction fonctionnelle de la neuraminidase avec l’hémagglutinine. Nous avons montré que la combinaison d’une hémagglutinine de faible affinité pour les récepteurs sialylés permettait de restaurer un virus possédant une neuraminidase déficiente. Ainsi, un virus influenza peut se libérer de la fonction de la neuraminidase, cible des seuls antiviraux efficaces disponibles à l’heure actuelle. Les mécanismes de résistances aux inhibiteurs de la neuraminidase sont multiples. L’émergence durant les deux dernières saisons hivernales de virus résistants aux INAs sans pression de sélection a remis en question les hypothèses développées sur l’infectivité et la transmissibilité de souches résistantes, ouvrant de nouvelles perspectives quant à l’étude des mécanismes permettant l’obtention de virus épidémiogènes résistants aux INAs / Each winter, influenza epidemics have a considerable impact on the population in terms of morbidity and mortality. Influenza A virus is the main etiologic agents of influenza. They present at their surface two glycoproteins, the neuraminidase and the hemagglutinin. These two proteins have antagonist functions : the hemagglutinin allows the virus to enter the host cell and the neuraminidase, through its sialidase activity, releases progeny virions from host cells. Although prophylaxis of influenza is mainly based on vaccination, antiviral drugs play a very important role in the fight against epidemics of influenza and the strategy developed in anticipation of a flu pandemic. The neuraminidase inhibitors are effective antiviral against influenza. Through the inhibition of the neuraminidase enzymatic activity, they prevent the release of new virions formed. The introduction into clinical practice of new drugs requires monitoring in order to detect the potential emergence of resistance. Although the approach to the design of neuraminidase inhibitors has provided hope that resistance will be limited, resistance to NAIs already been observed in clinical, encouraging close monitoring. It is therefore important to continue to study and understand the various mechanisms of resistance to neuraminidase inhibitors. The work of this thesis has thus focused on understanding the diversity of resistance mechanisms. Initially, we studied the impact of mutations in all structural residues of the active site of neuraminidase. We observed that most of these mutations did not alter the characteristics of the virus and induced very limited resistance to antivirals. Subsequently, we then sought to explore opportunities for synergy in resistance by the combination of two structural mutations of the active site of neuraminidase. On four viruses produced, only the virus with the double mutation E119V+I222L in the active site of neuraminidase was viable, although its in vitro replicative capacity was impaired. The combination of these two mutations induced a synergistic resistance to oseltamivir. Finally, we wanted to integrate the functional interaction of neuraminidase with hemagglutinin. We have shown that the combination of a hemagglutinin low affinity for sialylated receptors allowed to rescue a virus with a deficient neuraminidase. Thus an influenza virus may discharge the function of neuraminidase, the target of the only available effective antivirals. The mechanisms of resistance to neuraminidase inhibitors are numerous. Plus, the circulation in the last two seasons of resistant viruses without selective pressure challenges the assumptions developed on the possible emergence of resistance in clinic. This opens new issues to consider in order to understand the mechanisms that allowed this emergence and transmission

Les virus influenza provoquent chaque année la grippe saisonnière qui peut toucher 5 à 15 % de la population. Les médicaments antiviraux sont un moyen important complémentaire à la vaccination pour le traitement et la prévention de la grippe. Actuellement, deux classes d’antiviraux ont été approuvées, l'une pour inhiber l'étape de décapsidation (l’inhibiteur du canal ionique M2), et l'autre pour empêcher la libération de néo-virions (l’inhibiteur de la neuraminidase). Cependant, de plus en plus de virus sont nativement résistants aux inhibiteurs de la protéine M2. Des virus résistants aux inhibiteurs de la neuraminidase ont également circulé durant les hivers 2008 – 2009. Le développement de nouveaux médicaments afin de substituer ou de compléter ces inhibiteurs est donc crucial dans la lutte contre les virus de la grippe. L’accent mis ces dernières années sur l’activité biologique des sucres (oligosaccharides/polysaccharides) montre une voie pour l’étude de l’activité antivirale d’une des plus importantes biosources. Dans le but d'évaluer le potentiel antigrippal des molécules dérivées de sucres, nous avons effectué un criblage à partir d'une bibliothèque de 245 composés de polysaccharides et d'oligosaccharides, dont la plupart proviennent d’algues et de végétaux supérieurs. Plusieurs molécules actives réparties dans différentes familles de sucres ont été mises en évidence. Parmi les candidats d'intérêt, l’oligosaccharide sulfaté 152, appartenant à la famille des arabinogalactanes de l'espèce Codium fragile, a présenté une activité inhibitrice vis-à-vis des deux virus influenza de type A et de type B in vitro. Le mécanisme d’action de cet oligosaccharide a été caractérisé. Il montre que les deux glycoprotéines de surface, l’hémagglutinine et la neuraminidase, sont les cibles virales de cette molécule / The annual seasonal flu caused by influenza viruses can affect 5 to 15 % of the population. In addition to vaccination, the use of antiviral drugs in the treatment and prevention allows the control of influenza virus infection. So far, two classes of antiviral drugs have been approved for influenza treatment, one to inhibit the uncoating step (M2 inhibitors), and the other to prevent the release of progeny virions (NA inhibitors). However, the emergence and circulation of M2 inhibitor resistant viruses at high frequencies have restricted the use of these inhibitors. Neuraminidase inhibitor resistance among circulating influenza viruses has emerged since the 2008 – 2009 season. The development of new classes of antiviral agents is crucial in the fight against influenza virus. In recent years, many molecules belonging to a large group of compounds known as carbohydrates (oligosaccharides/polysaccharides) have been revealed essential for various biological activities. The establishment of carbohydrate-based antiviral agents is, therefore, a highly promising strategy. In order to evaluate the potentially anti-influenza molecules derived from carbohydrates, we have performed a screening from a library of 245 polysaccharides and oligosaccharides. These compounds were extracted mainly from plants and algae. Several active molecules of different families have been identified. Among them, the sulphated oligosaccharide 152, belonging to the family of arabinogalactane, was found to be highly active toward both influenza virus A and B in vitro. This oligosaccharide was purified from the green algal species Codium fragile. The study of the 152 mechanism suggests that this oligosaccharide can cooperatively inhibit both viral HA binding activity and NA catalytic activity

Le traitement actuel de la grippe repose sur des antiviraux ciblant des protéines virales qui peuvent induire l'apparition de virus résistants. Pour limiter ce risque, des thérapeutiques alternatives sont développées qui ciblent des partenaires cellulaires indispensables au virus. Cette thèse s'inscrit dans cette recherche de nouveaux antiviraux ciblant des protéines cellulaires et dans l'étude des relations hôte-pathogène indispensable à leur mise au point. Nous proposons une méthode innovante pour l'identification d'antiviraux basée sur la signature transcriptionnelle cellulaire d'infection commune à 5 virus influenza de type A appartenant à des sous types différents (H1N1, H3N2, H5N1, H5N2 et H7N1). Huit molécules induisant un profil transcriptionnel inverse à celui de l'infection ont été sélectionnées dans la base de donnée Connectivity map et 7 molécules se sont révélées antivirales sur au moins un des virus testés in vitro. Cette étude est la première à montrer qu'une sélection basée sur le profil d'expression génique peut être utilisée pour identifier des antiviraux. Cette étude transcriptomique permet en outre de caractériser les réponses cellulaires spécifiques à différents sous-types viraux. Alors que le virus H1N1 modifie peu la transcription cellulaire, les virus H3N2, H5N1, H5N2 et H7N1 modulent l'expression de gènes impliqués dans les voies MAPK, NF-KB, IRF3 et p53. L'analyse de l'implication fonctionnelle des modifications spécifiques des voies de transduction cellulaire pourrait permettre de mieux comprendre la pathogenèse particulière de certaines souches virales / The current treatment of flu relies on antiviral drug targeting viral proteins that can induce the appearance of resistant virus. To limit this risk, alternative therapies are developed that target essential cellular partners of the virus. This thesis is part of this search for new therapeutic and of the study of host-pathogen interactions essential to their development. We proposed an innovative method for the identification of antiviral drugs based on the cell gene- expression profile associated with infection with five different influenza A virus strains belonging to different subtypes (H1N1, H3N2, H5N1, H5N2 and H7N1). Eight molecules inversing the infection signature were selected from the Connectivity Map database and 7 molecules inhibited viral growth on at least one of the viruses tested in vitro. This is the first study showing that gene expression- based screening can be used to identify antivirals. This transcriptomic study provides further characterization of strain specific cellular responses. While HlN1 virus changes slightly cellular transcription, H3N2, H5N1, H5N2 and H7N1 viruses modulate the expression of genes involved in MAPK, NF-kB, IRF3 and p53 pathways. Analysis of the functional involvement of specific modifications of cellular transduction pathways could help to better understand the pathogenesis of some particular viral strains

La grippe est une infection respiratoire aiguë, due au virus Influenza, qui touche en moyenne chaque hiver 2,5 millions de personnes. C'est un enjeu de santé publique majeur par son impact économique et en santé humaine. Les traitements actuellement disponibles contre le virus Influenza repose sur des antiviraux ciblant la neuraminidase (inhibiteur de la neuraminidase). Jusqu'en 2007 moins de 5% des souches de virus Influenza circulantes dans le monde étaient résistantes à ces INA. Contre toute attente, l'hiver 2007/2008 a été marqué par l'émergence simultanée d'une nouvelle souche apparentée au virus A/Brisbane/59/2007(H1N1) et d'une augmentation massives des résistances à l'Oseltamivir. Nous avons caractérisés les propriétés enzymatiques des souches sensibles et résistantes isolées dans la communauté au cours des saisons 2007/2008, 2008/2009 pour les comparer à un panel de souches de référence des virus A(H1N1). Les résultats obtenus soulignent la particularité des propriétés enzymatiques de la NA de A/Brisbane/59/2007(H1N1) et le rôle de la balance HA-NA dans la diffusion mondiale de cette souche résistante en l'absence de pression de sélection La pandémie de 2009 au virus A(H1N1)pdm09 a été l'occasion de décrire le rôle de l'infection respiratoire basse, virale isolée ou dans le cadre d'une co-infection bactérienne, dans les patients décédés d'un syndrome de détresse respiratoire. La forte proportion de pneumonies virales observées dans les études épidémiologiques réalisées au cours de la pandémie de 2009/2010 et de la saison 2010/2011 suggère la présence de facteurs de virulence permettant au virus A(H1N1)pdm09 de se lier aux récepteurs présents au niveau de l'appareil respiratoire bas. Nous avons étudié l'impact du polymorphisme en position 222 de la HA du virus A(H1N1)pdm09 sur les propriétés de liaison de la HA à son récepteur, sur la balance HA-NA et, in fine, sur le phénotype des virus in vitro et in vivo. Nos résultats montrent que les substitutions D222G, D222E et D222N de la HA du virus A(H1N1)pdm09 favorisent la liaison aux acides sialiques présents au niveau de l'alvéole pulmonaire. Cette propriété pourrait expliquer la plus forte pathogénicité pulmonaire de ce virus. Par ailleurs nos résultats montrent également une association entre l'équilibre de la balance HA-NA et le profil de réplication de ces souches in vitro / Influenza is responsible of 2,5 million cased of respiratory infection, each winter, in France. It is a main human health threat and a main public health concern. The current treatment of flu relies on antiviral drug targeting viral proteins that can induce the appearance of resistant virus. Until 2007, less than 5% of all circulating Influenza strains were resistant to neuraminidase inhibitors. Against all odds, Oseltamivir resistant A/Brisbane/59/2007(H1N1) emerged and spread during 2007/2008 and 2008/2009 season. To understand the driving force of this emergence we tested clinical strains from 2007 to 2011 for Oseltamivir and Zanamivir resistance, sequenced their HA and NA gene, and compared their NA enzymatic properties with A(H1N1) reference strain from 1977 to 2007. Our results showed that A/Brisbane/59/2007 displayed a high affinity compare with NA of previous A(H1N1) reference strains. Moreover these results suggested that HA-NA balance underlie the worldwide emergence of the Oseltamivir resistance without any selection pressure. The A(H1N1)pdm09 pandemic highlighted the importance of lower tract respiratory infection in the severe influenza case. The high proportion of viral pneumonia observed during the 2009 pandemic and the following season suggest that A(H1N1)pdm harbored a virulence factor that allowed the virus replication in the lower respiratory tracts. We studied the effect of HA 222 polymorphism on HA properties, HA-NA balance and in vitro and in vivo Influenza phenotype. Our results demonstrated that G222, E222 or N222 HA mutation increased the binding of A(H1N1)pdm09 mutation to the lower respiratory tract receptor. This may explain the A(H1N1)pdm09 increase pathogenicity. Moreover our results show than an optimal HA-NA balance is link to an efficient replication profile in vitro

Les virus respiratoires induisent de nombreuses et fréquentes pathologies en pédiatrie avec une morbidité importante. Ces virus sont bien connus car étudiés depuis longtemps mais ils sont en évolution constante. L’apparition des antibiotiques, des antiviraux, des soins intensifs, de la vaccination, les connaissances sur l’hygiène ont transformé l’impact de ces virus sur les populations humaines. Nos modes de vie principalement citadins favorisent la diffusion virale locale par le regroupement de presque tous les enfants dans des crèches ou des écoles. De même l’explosion récente des moyens de transport en particulier aérien qui ont reliés physiquement tous les pays du monde entre eux et qui accentuent la diffusion virale mondiale. Faut-il appliquer les mêmes raisonnements dans tous les pays du monde pour lutter contre ces infections ? Cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur ce sujet en se focalisant sur les virus influenza et le virus respiratoire syncytial :1) Pendant la pandémie H1N1 au Canada, la mise en évidence de l’augmentation des hospitalisations des enfants asthmatiques, paradoxalement moins souvent ventilés durant leurs séjours en réanimation pédiatrique.2) L’intérêt de la vaccination contre le virus pandémique H1N1 pour diminuer le recours à la ventilation assistée chez les enfants hospitalisés en réanimation pédiatrique.3) Le Canada n’a pas connu de 3ème vague pandémique en raison d’une campagne vaccinale massive qui bien que tardive, a été efficace même 1 an plus tard.(4) La saisonnalité de la bronchiolite dans les régions tropicales est très différente de celle retrouvée dans les pays tempérés et nécessite de réajuster les recommandations de prise en charge à l’aune des données localesEn décrivant la cinétique et l’impact de la pandémie grippale de 2009 sur les enfants hospitalisés en soins intensifs pédiatriques au Canada d’Octobre 2009 à Mars 2011, en comparant cette cohorte à une cohorte similaire en France Hexagonale, et en décrivant 2 épidémies de VRS en Martinique en 2007 et 2008 pour confronter ces données avec celles décrites dans les pays tempérés, ce travail illustre combien nos connaissances doivent toujours être remises en question du fait de l’évolution du climat, de l’évolution de la société et de l’évolution des connaissances médicales / Respiratory viruses are responsible for much pediatric pathology with significant morbidity. These viruses are well known for a long time but are subject to constant changes. The development of antibiotics, antivirals, intensive care, vaccination, knowledge on hygiene has modified the impact of these viruses on human populations. Our predominantly urban lifestyles support local viral spread by bringing almost all children together in nurseries or schools. In the same way, the large use of modern transport facilities especially air transport (which connect all continents between them) facilitate the world viral spread. In this new environment, should we apply the same medical reasoning all over the world to fight against these infections? This thesis brings new knowledge on this topic, focusing on influenza virus and syncytial respiratory virus:1) During Influenza A(H1N1)pdm09, hospitalizations of children with asthma increase, but they were least often to be ventilated during their pediatric intensive care stay.2) The value of vaccination against the pandemic virus to reduce the use of assisted ventilation in children hospitalized in Pediatric Intensive Care Unit.3) Canada did not experience a third pandemic wave in 2010 because of a massive vaccination campaign that, even late, was effective one year later.4) The bronchiolitis season in the tropics is different from what we know in temperate countries. It is mandatory to adjust management recommendations in the light of regional data.By describing the kinetics and impact of the 2009 influenza pandemic on children in pediatric intensive care in Canada from October 2009 to March 2011, comparing this cohort to a similar cohort in France, and comparing 2 epidemics of VRS in Martinique (French West Indies) in 2007 and 2008 with those that have been carried out in temperate countries, this thesis is an example why we have to constantly question our knowledge because of climate change, change in society and medical knowledge evolution.