"Thèse en cotutelle, Université Laval Québec, Canada Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Strasbourg Strasbourg, France" / Les réactions immunitaires de la peau sont initiées par les cellules dendritiques cutanées (dendritic cells, DCs). L'effet potentiellement sensibilisateur d'un composé peut être prédit in vitro en utilisant des monocytes humains différenciés en DCs (MonoDCs). Cependant, ces modèles simplistes restent imprécis car l'activation des DCs cutanés par les sensibilisateurs peut être déclenchée ou modulée par des interactions microenvironnementales avec de multiples types de cellules non immunitaires. Notre objectif est de développer une peau immunocompétente qui combinera des MonoDCs avec tous les éléments structurels et fonctionnels de la peau, c'est-à-dire une barrière épidermique posée sur un derme contenant une pseudo-vascularisation et des neurones nociceptifs. Une matrice de collagène a été ensemencée avec des fibroblastes et des cellules endothéliales, puis avec des précurseurs de fibres nerveuses dérivées soit de l'iPSC humaine, soit de la DRG embryonnaire murins. Enfin, nous avons introduit les MonoDC et les kératinocytes. Nous avons observé que les neurones différenciés in situ innervent l'épiderme comme observé habituellement dans la peau humaine normale. De plus, les neurones dérivées d’iPSCs, expriment neuropeptides et canaux calcique spécifiques des fibres nociceptives. Enfin, les Mono-DC intégrés au modèle restent stable pendant toute la durée nécessaire à la formation de l’épiderme et peuvent être stimulé. Le modèle sera utilisé pour prédire le potentiel irritant des composés chimiques et l'impact de l’innervation nociceptive sur l'activation des DCs. / Immune reactions in the skin are initiated by the cutaneous dendritic cells (DCs). The potential sensitizing effect of a compound can be predicted in vitro using human monocytes differentiated into DCs (Mono-DCs). However, these simplistic models remain inaccurate because the activation of cutaneous DCs by sensitizers may be triggered or modulated by microenvironmental interactions with multiple types of nonimmune cells. Our goal is to develop an immunocompetent human tissue-engineered skin that will combine DCs with all structural and functional element of the skin, i.e. an epidermal barrier laid upon a dermis containing a pseudo-vascularization and nociceptive neurons. Collagen matrix was seeded with fibroblasts and endothelial cells, then with precursors of nerve fibers derived from either human iPSC or murine embryonic DRG. Finally, we introduced Mono-DCs and keratinocytes. We observed that in situ differentiated neurons grow axons towards the epidermis as usually observed in normal human skin. What's more, the neurons derive from iPSC, express neuropeptides and calcium channel as normal nociceptive fibers. Moreover, Mono-DCs settled as expected beneath the epidermis and remained sessile to stimulation for several weeks. The model will be used to predict the irritant potential of chemical compounds, and the impact of nerves on DC activation.

Les modèles de peau in vitro en trois dimensions sont des outils pour étudier des processus biologiques ou pathologiques. La majorité des modèles in vitro actuellement disponibles ne comporte pas de système immunitaire et de réseau vasculaire, tous deux présents dans la peau humaine. Nous avons développé un modèle de peau entièrement composé de cellules d'un même donneur (autologue) et contenant des cellules immunitaires et endothéliales. En nous basant sur le modèle d'auto-assemblage du LOEX, nous avons mis en culture durant quatre semaines des fibroblastes dermiques dans un milieu favorisant le dépôt de matrice extracellulaire. La résultante est un feuillet manipulable composé de cellules entourées de matrice. Un isolat dermique préalablement extrait du derme humain est ensemencé sur un premier feuillet de fibroblastes et les kératinocytes sur un second. L'isolat dermique contient l'ensemble des cellules présentes dans le derme du donneur. Les deux feuillets sont ensuite superposés et mis en culture pendant deux semaines à l'interface air-liquide pour stimuler la différenciation de l'épithélium. Une analyse histologique a mis en évidence un épithélium stratifié sur un derme composé de matrice et de cellules. Des immunomarquages ont également montré la présence de cellules immunitaires CD45+ viables et d'un réseau vasculaire CD31+ au niveau du derme. Une plaie a ensuite été créée au centre de ce modèle de peau et une analyse histologique a montré une migration des cellules épidermiques et dermiques dans la plaie. La création de ce modèle permettra d'avoir une meilleure compréhension de l'homéostasie de la peau et du phénomène de cicatrisation cutanée. / In vitro three-dimensional human skin models provide a tool to investigate biological or pathological processes and to test drug effect or toxicity. In vitro models usually lack an immune system and vasculature, both characteristics of the human skin. We developed a skin model composed of cells from the same donor (autologous) and containing immune cells and endothelial cells. Based on the self-assembly method developed at the LOEX, dermal fibroblasts were first cultured during four weeks in a medium stimulating the production of an extracellular matrix. The result of this culture is a fibroblast sheet used for the development of our model. A dermal fraction enzymatically extracted from a human dermis was seeded onto a first sheet while the keratinocytes were seeded on a second one. The dermal fraction contained all the dermal cells from a donor. The two sheets were then superimposed and raised at the air-liquid interface during two weeks to stimulate epidermis differentiation. Histological studies of the 3D skin model highlighted a stratified epidermis on a dermis composed of matrix and cells. Immunofluorescence staining showed viable CD45+ immune cells and a CD31+ capillary network in the dermis. A wound was then produced at the center of the model and histological studies highlighted the migration of the epidermal and dermal cells into the wound. The creation of this first autologous 3D model containing immune cells paves the way to increase knowledge about skin homeostasis and the role of immune cells in the wound healing process.

Le psoriasis se caractérise par la présence d’infiltrats leucocytaires inflammatoires au niveau du derme et de l’épiderme cutané humain, menant à des désordres cutanés considérables : hyperprolifération des cellules épidermiques basales, différenciation altérée des kératinocytes et sécrétion accrue de médiateurs pro-inflammatoires dans le microenvironnement local. Cette dysfonction immuno-épithéliale menant au développement de lésions blanchâtres, agit tel un cercle vicieux incontrôlable, stimulant réciproquement les kératinocytes et les cellules immunitaires. Dans cette optique, mes travaux de doctorat ont visé à : (1) générer un microenvironnement immunocompétent par l’intégration de cellules T pré-activées dans un modèle de peau saine, non-lésionnelle et lésionnelle, produit selon la méthode d’auto-assemblage afin (2) d’étudier le rôle de cette composante importante sur les caractéristiques-clés associées au psoriasis. De surcroit, nous avions pour autre objectif (3) d’analyser l’impact de macrophages dérivés de monocytes dans un modèle tridimensionnel de peau saine afin (4) de déterminer l’influence de ces cellules sur le remodelage matriciel et la différenciation épidermique à l’état d’équilibre pour, finalement, (5) analyser l’empreinte du microenvironnement sur leur polarisation in vitro. Nos données mettent en lumière le caractère déterminant de la composante immunitaire, lorsqu’associée aux cellules cutanées pathologiques, dans le développement des lésions psoriasiques, puisque la présence de cellules T, dans un modèle de peau saine, n’induit pas l’ensemble des caractéristiques histopathologiques associées à cette dermatose. D’autre part, ces modèles de peau immunocompétente répondent à un traitement de choix pour le psoriasis, le méthotrexate, qui inhibe la prolifération cellulaire et atténue l’inflammation. Ces nouveaux modèles organotypiques serviront d’outils précliniques performants pour le criblage d’actifs visant à traiter certaines pathologies d’origine auto-immune inflammatoire chronique, dans lesquelles le système immunitaire joue un rôle crucial, à l’exemple du psoriasis. Par ailleurs, l’intégration de macrophages dérivés de monocytes dans un modèle de peau normale, affecte l’état de différenciation des kératinocytes épidermiques tout en réduisant l’état inflammatoire basal. Ces macrophages induisent, en outre, un remodelage matriciel tissulaire important modifiant de ce fait le microenvironnement avoisinant. Finalement, ce nouveau modèle tridimensionnel nous a permis, d’une part, de mimer davantage la structure cutanée physiologique et, d’autre part, de mieux comprendre l’influence de ces cellules sur le phénotype cutané à l’état d’équilibre. Bien que d’autres études soient nécessaires avant l’utilisation de ces modèles en phase préclinique, ces travaux constituent une avancée majeure dans le développement de modèles produits par génie tissulaire, plus complexes et plus pertinents d’un point de vue physiologique. / Psoriasis is characterized by the presence of inflammatory leukocyte infiltrates in the human skin dermis and epidermis, leading to important skin disorders: hyperproliferation of basal epidermal cells, altered differentiation of keratinocytes, and increased secretion of proinflammatory mediators in the local microenvironment. This immuno-epithelial dysfunction leading to the development of whitish lesions acts as an uncontrollable vicious circle, stimulating the keratinocytes and the immune cells. With this in mind, my thesis work aimed to: (1) generate an immunocompetent microenvironment by integrating pre-activated T cells into a healthy, non-lesional and lesional skin model, produced using the self-assembly method (2) to study the role of this essential component on key features associated with psoriasis. In addition, our other objective was (3) to analyze the impact of monocyte-derived macrophages in a three-dimensional model of healthy skin (4) to determine the influence of these cells on tissue remodeling and epidermal differentiation at steady state, (5) in order to finally analyze the microenvironment effect on their in vitro polarization. Our data highlight the essential feature of the immune component, when associated with pathological skin cells, in the development of psoriatic lesions, since the presence of T cells, in a healthy skin model, does not induce all of the histopathological key features, associated with the dermatosis. On the other hand, these models of immunocompetent skin respond to a treatment of choice for psoriasis, methotrexate, which inhibits cell proliferation and reduces inflammation. These new organotypic models will serve as powerful preclinical tools for the screening of active agents to treat some chronic inflammatory pathologies of autoimmune origin, in which the immune system plays a crucial role, like psoriasis. Moreover, the integration of monocytederived macrophages into a normal skin model affects the differentiation state of epidermal keratinocytes while reducing the basal inflammatory state. These macrophages induce, in addition, a significant matrix remodeling thereby modifying the surrounding microenvironment. Finally, this new three-dimensional model allowed us, on the one hand, to further mimic the physiological cutaneous structure and, on the other hand, to better understand the influence of these cells on the skin phenotype at steady state. Although further studies are needed prior to the use of these preclinical models, this work represents a major breakthrough in the development of more complex tissue-engineered models that are physiologically relevant.

L’environnement pulmonaire est en contact constant avec des agressions extérieures qui peuvent causer une inflammation pulmonaire. Cette inflammation peut être aigüe ou chronique et elle est caractérisée par plusieurs types de cellules immunitaires. Ces cellules expriment à leur surface plusieurs molécules qui sont essentielles à leur fonctionnement. Les rôles de certaines molécules dont le CD103 et le CD34 demeurent très peu étudiés. Les cellules dendritiques (DCs) CD103+ résident au poumon et y exercent plusieurs fonctions régulatrices et inflammatoires. Notre équipe a démontré que la présence de lipopolysaccharide ou de facteur de nécrose tumorale (TNF) empêche l’augmentation du CD103 par le facteur de stimulation des colonies de granulocytes et de macrophages. Toutefois, l’impact de la modulation de l’expression du CD103 sur les fonctions des DCs demeure inconnu. L’asthme est caractérisé par une hyperréactivité bronchique (HRB) qui consiste en une réactivité exagérée du système respiratoire en réponse à divers broncho-constricteurs. Les mastocytes et éosinophiles sont centraux dans le développement de l’asthme. Le CD34 est exprimée par ces cellules et il est impliqué dans la pathologie de l’asthme puisque les souris Cd34-/- démontrent une perte d’HRB en contexte d’asthme. Cependant, l’impact du CD34 sur la fonction de dégranulation des mastocytes et des éosinophiles dans l’asthme reste inconnu. Les objectifs principaux de ce projet étaient de déterminer l’impact de la modulation de l’expression du CD103 sur certaines fonctions des DCs dans l’immunité innée et de déterminer l’influence de l’expression du CD34 sur certaines fonctions des mastocytes et des éosinophiles dans l’immunité de l’asthme. Des marqueurs de fonctions ont été analysés par cytométrie en flux à la suite de la modulation du CD103. Les fonctions qui ont été analysées sont la capacité d’activer les lymphocytes T, la migration et l’adhésion à l’épithélium. La modulation du CD103 altère l’expression de l’E-Cadhérine ce qui favorise une population activée et non adhérente. L’impact du CD34 sur la dégranulation des mastocytes et des éosinophiles a été étudié à l’aide de souris Cd34-/- et de cultures dérivées de la moelle osseuse. Le CD34 influence la dégranulation des mastocytes et semble affecter la production de certains lipides. En conclusion, l’impact de la modulation du CD103 sur l’adhésion des DCs pourra être utilisé dans différents contextes comme les infections et le cancer et le CD34 semble une cible intéressante dans le traitement de l’asthme puisqu’il est impliqué dans plusieurs composantes de l’asthme, dont l’hyperréactivité et l’inflammation chronique.