Les cardiopathies représentent la première cause de mortalité dans le monde, près de 30% des décès chaque année sont imputables à ce type de pathologies ; cette incidence a par ailleurs fortement augmentée au cours du siècle dernier (OMS). Les cardiopathies peuvent être classées en plusieurs sous-groupes de maladies cardio-vasculaires en fonction du tissu affecté par la pathologie. On différencie ainsi les maladies affectant les vaisseaux, le muscle cardiaque, le rythme (tissu pacemaker et de conduction) et les maladies des valves cardiaques. Les valvulopathies cardiaques peuvent être causées par des défauts des valves acquis ou innés et représentent près de 30 à 40% des malformations cardiaques recensées. Le pourcentage de patients atteints de valvulopathies augmente avec l’âge du patient, de plus, les valvulopathies représentent la principale cause de morbidité chez l’adulte, et l’enfant dans les pays développés.Ces défauts peuvent être d’origines génétiques, congénitales, toxicologique, ischémiques avec influence de différents facteurs de risques aussi bien génétiques qu’environnementaux, dans certains cas elles peuvent même être provoquées par des médicaments, le cas du Benfluorex (Mediator®) étant probablement le plus connu. Les défauts affectant les valves peuvent avoir de graves conséquences sur le fonctionnement du cœur. Ainsi, en 2008, aux États-Unis, il a été nécessaire de procéder au remplacement de près de 82000 valves cardiaques chez des patients adultes. Si le remplacement de valves cardiaques reste une avancée majeure pour les patients atteints de valvulopathies, l’utilisation de prothèses et de transplants valvulaires présentent néanmoins des limitations, notamment : une absence de croissance des prothèses, l’apparition de thromboses, ainsi que des rejets en cas de transplantation de valves allo-géniques, prélevées sur des donneurs en morts cérébrale. Ainsi, il est nécessaire d’étudier les mécanismes mis en jeu dès le développement embryonnaire, mécanismes qui pourrait avoir un effet délétère à plus ou moins long terme entrainant l’apparition d’une valvulopathie chez l’enfant, le jeune adulte ou chez la personne âgée. Pour cela l’utilisation d’un modèle cellulaire utilisable in vitro serait une avancée remarquable. Ce modèle permettrait à la fois d’élucider un certain nombre de mécanismes biologiques mis en place au cours du développement ou de la pathologie, mais aussi d’espérer la mise en place d’un protocole permettant l’utilisation clinique de cellules autologues reprogrammées pour la thérapie des tissus atteints de valvulopathies voire même une thérapie incluant une réparation endogène. / Heart disease is the leading cause of death worldwide, nearly 30% of deaths each year are attributable to such diseases; this incidence has also greatly increased in the last century (WHO).Heart disease can be classified into several subgroups of cardiovascular disease based on the tissue affected by the pathology. It thus differs diseases affecting vessels, cardiac muscle, rhythm (fabric pacemaker and conduction) and heart valve disease. Heart valve disease can be caused by defects of innate and acquired or valves represent about 30-40% of heart defects identified. The percentage of patients with valvular heart disease patients increases with age of the patient, in addition, valvular heart disease is the leading cause of morbidity in adults and children in developed countries.These defects may be of genetic origin, congenital, toxicological, with ischemic influence of various risk factors both genetic and environmental, in some cases they can even be caused by medications, if the Benfluorex (Mediator®) are probably the most known. The defects in the valves can have serious consequences on the functioning of the heart. In 2008, the United States, it was necessary to proceed with the replacement of nearly 82,000 heart valves in adult patients.If the replacement heart valves remains a major advance for patients with valvular heart disease, the use of prostheses and transplants valves nevertheless have limitations, including: no growth prostheses, the occurrence of thrombosis and releases in cases of allo-transplantation of gene valves taken from brain dead donors. Thus, it is necessary to study the mechanisms involved early embryonic development, mechanisms that could have a deleterious effect more or less long term leading the development of valvular disease in children or young adults in the old person. For this the use of an in vitro cell model used is a remarkable achievement. This model would both elucidate a number of biological mechanisms during development or pathology, but also hope the development of a protocol for the clinical use of autologous cells reprogrammed to the therapy of patients with valvular tissue or even a therapy including an endogenous repair.

Les précurseurs neuraux dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPS-NPCs) peuvent représenter la source cellulaire autologue idéale pour la thérapie cellulaire visant à promouvoir la remyélinisation et la neuroprotection des maladies de la myéline. Jusqu'à présent, le potentiel thérapeutique de ces cellules a été abordé dans des conditions néonatales. Cependant, l'efficacité de la réparation et de la sécurité de ces cellules dans le système nerveux central (SNC), une condition associée à une diminution de la plasticité cellulaire et effarouchement, reste à être bien traités. D'ailleurs, il reste à démontrer si le comportement de ces cellules ressemble à celle des NPCs du SNC. D'abord, j'ai comparé des iPS-NPCs de souris avec des cellules embryonnaires du SNC, in vitro et après greffe dans des modèles de démyélinisation de la moelle épinière de souris adulte. Nos données ont révélé la capacité de survie, intégration, migration et différenciation rapide des cellules greffées en oligodendrocytes matures. Les cellules greffées ont généré de la myéline compacte autour des axones, la restauration de n¿uds de Ranvier et la vitesse de conduction aussi efficacement que les précurseurs du SNC dérivés tandis supplantant cellules endogènes. Ensuite, pour valider la fonctionnalité des précurseurs gliaux humains dérivés des iPS-NPC, je les ai transplantés dans des modèles nouveau-nés et adultes de dys/démyélinisation. Mes données ont montré la migration généralisée, l'intégration et génération de oligodendrocytes fonctionnels, la formation de la myéline compacte tout en reconstruisant n¿uds de Ranvier dans chez les nouveau-nés et les adultes greffés. / Induced pluripotent stem cell-derived neural precursor cells (iPS-NPCs) may represent the ideal autologous cell source for cell-based therapy to promote remyelination and neuroprotection in myelin diseases and can serve as suitable tools to model myelin disorders or to test the potential of pharmacological compounds. So far the therapeutic potential of these cells was approached in neonatal conditions. However, the repair efficacy and safety of these cells in the demyelinated adult central nervous system (CNS), a condition associated with decreased cell plasticity and scaring, remains to be well addressed. Moreover, whether the therapeutic behavior of these pluripotent-derived cells resembles that of physiologically committed CNS-derived precursors remains elusive. First, I used mouse iPS-NPCs and compared them side-by-side to embryonic CNS-derived cells, in vitro and in vivo after engraftment in models of adult spinal cord demyelination. My data revealed the prominent capacity of survival, safe integration, migration and timely differentiation of the grafted cells into mature oligodendrocytes. Grafted cells generated compact myelin around host axons, restoring nodes of Ranvier and conduction velocity as efficiently as CNS-derived precursors while outcompeting endogenous cells. Second, to validate the functionality of human iPS-NPC-derived glial precursors, I transplanted them in newborn and adult models of dys/demyelination. My data showed widespread migration, integration and extensive generation of functional oligodendrocytes ensheathing host axons, forming compact myelin while reconstructing nodes of Ranvier both in newborn grafted and adult demyelination contexts.

La leucémie myélomonocytaire chronique (LMMC) est une hémopathie myéloïde rare attribuée à l’accumulation d’évènements génétiques et épigénétiques dans une cellule souche ou progénitrice hématopoïétique. Les altérations génétiques somatiques récurrentes qui caractérisent cette maladie ont été identifiées: elles associent des altérations cytogénétiques non spécifiques chez 30% des patients et des mutations des gènes de la régulation épigénétique, de l’épissage, de la signalisation et de la transcription. Si certaines mutations influencent le phénotype (les mutations de RUNX1 génèrent une thrombopénie, celles de la signalisation une maladie proliférative, celles de KIT une mastocytose), elles ne sauraient résumer à elles seules l’expression phénotypique de la maladie. D’ailleurs, les médicaments hypométhylants restaurent une hématopoïèse équilibrée en modifiant le contexte épigénétique des cellules malades sans les éliminer. Il n’existe pas de lignée cellulaire de LMMC et les modèles murins n’en récapitulent que très partiellement les caractéristiques. L’objectif de mon travail de thèse a été de générer des cellules modélisant la maladie. J’ai transformé les cellules CD34+ de 2 patients en clones de cellules souches induites reprogrammées. Les clones obtenus à partir de l’un des patients ont été écartés du fait d’altérations génétiques supplémentaires acquises lors de la reprogrammation. Nous avons focalisé nos travaux sur 5 clones établis à partir des cellules CD34+ de l’autre patient et de 5 clones établis à partir de cellules CD34+ de deux sujets sains. Nous avons capturé 2 étapes de l’évolution moléculaire du clone, sans puis avec mutation KRASV12G. La différenciation hématopoïétique de ces clones en milieu semi-solide ou liquide récapitule les principales caractéristiques phénotypiques de la maladie. Par édition de gènes, nous avons ajouté dans certains clones la mutation SRSF2P95H observée dans les cellules de 50% des patients atteints de LMMC mais absente des cellules de la patiente étudiée. Nous montrons que l’hétérogénéité fonctionnelle et épigénétique des clones obtenus dépasse la seule hétérogénéité génétique et que la decitabine, un agent hypométhylant, a un effet cytotoxique faible mais améliorer l’équilibre de la production des cellules hématopoïétiques matures par des cellules génétiquement altérées. / Chronic myelomonocytic leukemia (CMML) is a rare hematological malignancy that has been related to the accumulation of genetic and epigenetic alterations in a hematopoietic stem or progenitor cell. Somatic recurrent mutations of coding DNA sequences have been in CMML cells, combining non-specific cytogenetic aberrations in 30% of the patients and mutations in epigenetic regulator, signal transduction, spliceosome and transcription factor genes. While some of these mutations directly affect disease phenotype (mutations in RUNX1 and thrombocytopeny, mutations in signaling pathways and proliferative disease, mutations in KIT and mastocytosis), they do not sum up the complex disease phenotype of this pathology on their own. Accordingly, hypomethylating agents restore a balanced hematopoiesis without eliminating clonal cells. There is no CMML cell line and murine models only partially recapitulate the disease. The objective of my thesis work was to reprogram hematopoietic stem/progenitor cells in order to model the disease heterogeneous expression. The clones established from one patient cells were discarded as their genetic background had been altered by reprogramming and cell culture. We analyzed in more details the behavior of 5 induced pluripotent stem cell lines established from a second patient and 5 other clones established from 2 healthy donor cells. We had captured 2 distinct genetic backgrounds of the patient clone, without or with KRASG12D mutation. Hematopoietic differentiation of these clones in semi-solid and liquid medium recapitulated the main characteristics of disease phenotype. With a gene editing tool, we introduced in some clones the SRSF2P95H mutation, observed in 50% of patient with CMML but missing in the studied patient. We noticed that functional and epigenetic heterogeneity of the clones exceeded their genetic heterogeneity and that the demethylating agent decitabine had limited cytotoxic effect but restored a more balanced production of hematopoietic cells by genetically abnormal cells.

La BPCO (bronchopathie pulmonaire chronique obstructive) est un problème majeur de santé publique et représentera la 3ème cause de mortalité dans le monde en 2030. L’âge, le tabagisme, ainsi que la pollution atmosphérique via l’exposition aux particules de diesel mais également la pollution domestique – majoritairement représentée par la combustion domestique de biomasse – sont des facteurs de risque bien identifiés d’apparition d’une BPCO. Il n’existe à ce jour aucun traitement curatif pouvant interférer avec l’histoire naturelle de la maladie.Les cellules souches pluripotentes, et notamment les cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCs), sont définies par deux propriétés fondamentales : l’auto-renouvellement et la capacité à se différencier en tous les types cellulaires de notre corps. Elles offrent une opportunité sans précédent de modéliser le développement humain normal et pathologique de l’appareil respiratoire.Ce projet de recherche a pour objectif de modéliser in vitro les trajectoires de la BPCO, en lien avec une origine développementale (racines pédiatriques) et/ou une susceptibilité au tabac. Afin d’élucider les mécanismes qui sous-tendent la pathogénie de la BPCO et de la susceptibilité au tabac, nous avons constitué deux groupes caricaturaux : i) 4 patients atteints d’une forme sévère de la BPCO, constituant le groupe « hautement susceptibles », ii) 4 patients fumeurs indemnes de BPCO ou tout autre comorbidité liée au tabac « hautement résistants » au tabac.Nous avons utilisés deux modèles de culture cellulaires in vitro : les hiPSCs et la culture de cellules épithéliales primaires bronchiques humaines (HBECs) cultivées en ALI (interface air liquide).Dans un premier temps, nous avons généré des lignées hiPSCs par reprogrammation cellulaire à partir du sang périphérique d’un sujet sain (contrôle), et de trois patients BPCO sévères hautement caractérisés. Dans un second temps, la différenciation dirigée des hiPSCs a permis de récapituler le développement pulmonaire précoce (génération de progéniteurs bronchiques NKX2.1) par la mise au point d’un protocole de différenciation dirigée robuste et reproductible sur plusieurs lignées hiPSCs. La maturation de ces progéniteurs bronchiques en culture 2D ou 3D a permis d’obtenir des structures épithéliales exprimant les marqueurs de cellules basales (KRT5), de cellules Club (CCSP), et ciliées (FOXJ1). Dans un second temps, ces épithélia seront exposés au tabac (CSE- cigarette smoke extract) afin d’induire un phénotype « BPCO-like ». Enfin, la culture des HBECs cultivées en ALI des patients BPCO sévères a été réalisée en condition exposée (CSE) et non exposée. La résistance transépithéliale, la motilité ciliaire, le profil sécrétoire et la diversité ARN ont été collecté.Ce travail a permis de mettre en place les outils nécessaires pour reproduire les trajectoires in vitro de la BPCO et élucider les origines de la pathologie. Les outils de séquençage à haut débit (transcriptomique dans notre étude), permettront de découvrir de nouveaux candidats, représentants de potentielles cibles en vue d’un criblage pharmacologique. / COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease) is a major public health problem and will be the 3rd leading cause of death in the world in 2030. Age, smoking, and air pollution through the exposure to particulate matter but also domestic pollution - mostly represented by domestic biomass combustion - are well-identified risk factors for the development of COPD. To date, there is no cure that can interfere with the natural history of the disease.Pluripotent stem cells, including induced pluripotent human stem cells (hiPSCs), are defined by two fundamental properties: self-renewal and the ability to differentiate into all cell types in our body. They offer an unprecedented opportunity to model the normal and pathological human development of the respiratory system.This research project aimed to model in vitro the trajectories of COPD, related to a developmental origin (pediatric roots) and / or susceptibility to tobacco. In order to elucidate the underlying mechanisms of COPD and tobacco susceptibility, we established two extreme groups: i) 4 patients with a severe form of COPD, the "highly susceptible" group, ii) 4 patients who are free of COPD or other tobacco-related comorbidity despite heavy smoking, called as "highly resistant" to tobacco.We have used two different but complementary in vitro cell culture models: hiPSCs and human bronchial primary epithelial cell cultures (HBECs) grown in ALI condition (Air Liquid Interface).First of all, we generate hiPSCs cell lines by reprogramming cells from peripheral blood of a healthy subject (control), and three highly characterized severe COPD patients. In a second step, the directed differentiation of hiPSCs allowed to recapitulate the early pulmonary development (NKX2.1 generation of bronchial progenitors) by the development of a robust and reproducible directed differentiation protocol of several hiPSCs lines. The maturation of these bronchial progenitors in 2D or 3D culture allows the generation of epithelial structures expressing markers of KRT5 + basal cells , CSSP + Club cells and FOXJ1 + ciliated cells. In a second step, these epithelia will be exposed to tobacco (CSE-cigarette smoke extract) in order to induce a "COPD-like" phenotype. Finally, ALI culture of HBECs of severe COPD patients was performed in unexposed and exposed condition (CSE). Transepithelial resistance, ciliary motility, secretory profile, and RNA diversity were collected.This work allowed to put in place the necessary tools to reproduce the in vitro trajectories of COPD and to clarify the origins of this pathology. The high throughput sequencing tools (transcriptomic in our study), will allow the discovery of new candidates, that represent potential targets for future pharmacological screening.

L’ataxie de Friedreich (AF) est une maladie neurodégénérative récessive due à un déficit en frataxine, une protéine mitochondriale très conservée. Elle est souvent associée à une atteinte cardiaque. Le déficit en frataxine est responsable d’une diminution de l’activité des enzymes Fe-Set d’une accumulation mitochondriale de fer. Les cellules pluripotentes induites (iPS) générées par reprogrammation de cellules somatiques constituent un outil puissant pour le développement de modèles de maladies monogéniques. Les cardiomyocytes obtenus par différenciation des iPS de patients AF développent une atteinte mitochondriale après 1 mois en culture. Celle-ci se complète par l’apparition secondaire de dépôts de fer, visibles après 4 mois en culture, indiquant une progression dans la physiopathologie de la maladie. Notre étude montre la capacité de ces cardiomyocytes à modéliser le phénotype cardiaque de l’AF, offrant ainsi l’opportunité d’approfondir leur caractérisation physiopathologique. / Friedreich’s ataxia (FA) is a recessive neurodegenerative disorder due to a deficit of frataxin, a highly conserved mitochondrial protein. It is commonly associated with a hypertrophic cardiomyopathy. The main pathophysiological consequences are a decrease of Fe-S enzyme activities and mitochondrial iron accumulation. The recent technical advances in the generation of induced pluripotent stem cells (iPS) from somatic cells provide a powerful tool to create disease specific cellular models. Cardiomyocytes derived from FA-iPS present altered mitochondria after 1 month in culture. After four months in culture, iron deposits can be found in degenerating mitochondria, indicating a progression in the pathophysiology of the disease. Our study illustrates the ability of iPS-derived cardiomyocytes to model the cardiac phenotype associated with FA, and offers new opportunities to further investigate pathological mechanisms linked to frataxin deficiency.