La Broncho-pneumopathie Chronique Obstructive (BPCO) est une maladie respiratoire grave caractérisée par une inflammation chronique entrainant des lésions irréversibles de l’épithélium respiratoire et du parenchyme pulmonaire. Le principal facteur de risque est le tabagisme mais des études d’association génétique pangénomiques ont montré que certains polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) des récepteurs nicotiniques (nAChRs) sont associés à l’incidence de la BPCO. Un de ces polymorphisme est le variant rs16969968 dans le 5ème exon du gène CHRNA5 codant la sous-unité α5. Le but de ce travail a été d’évaluer in vivo l’implication du SNP α5 dans les lésions pulmonaires caractérisant la BPCO et d’étudier l’impact fonctionnel du polymorphisme sur les voies de signalisation mises en jeu en aval des nAChRs. A l’aide de différents modèles in vivo murins et humains, nous avons pu montrer qu’indépendamment du tabagisme, le SNPα5 est associé à une inflammation cellulaire plus marquée, une sécrétion de cytokines pro-inflammatoires, des lésions emphysémateuses, une hyperplasie des cellules mucipares et des cellules Club moins fréquentes par rapport au génotype sauvage. Le SNPα5 est associé à une altération de la perméabilité calcique des cellules épithéliales et une modulation de la voie de signalisation AC3-PKA/C. Cette étude apporte pour la première fois une explication biologique à l’association entre le SNPα5 et la BPCO décrite dans les études d’association génétique pangénomiques à travers un rôle pro-inflammatoire du SNPα5 au niveau pulmonaire. / Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is a critical respiratory disease characterized by a chronic inflammation leading to irreversible epithelial and parenchymal injuries. The main risk factor is tobacco consumption but several genome-wide association studies (GWAS) described some single-associated polymorphisms (SNP) on nicotinic acetylcholine receptors (nACHR) genes associated with COPD incidence. One of these polymorphisms is the rs16969968 variant in the 5th exon of CHRNA5 gene coding the α5 subunit (SNP α5). The aim of this study was to determine in vivo the involvement of SNPα5 in COPD-associated lung injuries and to deciphere the functional impact of the polymorphism on nAChR signaling pathways. Thanks to several in vivo models (mouse and human), we describe here that the SNPα5 is associated, irrespective of the tobacco consumption, to an increased inflammation, pro-inflammatory cytokines secretion, emphysema, goblet cell hyperplasia, and Club cell diminution compared to the wild-type genotype. The SNPα5 is associated with a decreased calcium influx and a modulation of AC3-PKA/C pathway in airway epithelial cells. Our study describe for the first time a biological explanation for the association between SNPα5 and COPD shown in GWAS with a pro-inflammatory role of SNPα5 in the lung.

Dans le cadre du développement d’un larynx artificiel, les expérimentations sur l’animal et les essais cliniques ont mis en évidence un défaut de ré-épithélialisation de la face endoluminale de la prothèse. Cet épithélium respiratoire est absolument nécessaire pour obtenir un dispositif implantable totalement intégré dans le corps mais également pour la fonctionnalité d’un tel implant. Dans ce travail nous avons développé de nouveaux films d’hydrogels de collagène et d’acide hyaluronique interpénétrés et réticulés pour assurer une repousse épithéliale rapide. Ces films d’hydrogels optimisés ont une résistance suffisante à l’hydrolyse pour limiter leur dégradation précoce une fois implantés. Ils ont été fonctionnalisés par des facteurs de croissance et de différenciation cellulaire libérés de façon progressive avec un résultat objectivé sur la prolifération cellulaire. L’encapsulation de cellules immunitaire et l’utilisation de cytokines dans ces gels permettent également de moduler la réponse inflammatoire vers un processus de cicatrisation plutôt que de rejet. / As part of the development of an artificial larynx, in vivo experiments and clinical trials have revealed a defect in re-epithelialization of the endoluminal side of the prosthesis. This respiratory epithelium is absolutely necessary to obtain an implantable device fully integrated into the body but also for the functionality of such an implant. In this work we have developed patches of interpenetrated and reticulated hydrogels based on collagen and hyaluronic acid to ensure rapid epithelial regrowth. These optimized hydrogel patches have sufficient resistance to hydrolysis to limit their early degradation once implanted. They have been functionalized by growth and cell differentiation factors that are released gradually with an objectified result on cell proliferation. Encapsulation of immune cells and the use of cytokines in these gels also modulate the inflammatory response towards a healing process rather than rejection.

L’augmentation de la prévalence mondiale des pathologies respiratoires et allergiques depuis la seconde moitié du 20ème siècle ainsi que l’émergence de symptômes spécifiques liés à des environnements clos dans les années soixante-dix, ont contribué à incriminer l’exposition à la pollution de l’air intérieur, en particulier aux composés organiques volatils (COV), comme facteur de risque dans l’apparition de ces pathologies. Les différentes approches épidémiologiques et expérimentales existantes ont permis de renseigner la composition, les sources, les déterminants et les effets de cette pollution en particulier sur l’appareil respiratoire humain, première voie d’exposition. A l’heure actuelle, les politiques expérimentales visent à substituer les expérimentations animales par le développement de méthodes alternatives, dont les méthodes in vitro, pour des raisons économiques et éthiques. Cependant, les modèles in vitro permettant l’étude des polluants environnementaux sur les cellules de l’arbre respiratoire sont encore peu développés. L’objectif de cette thèse est donc de proposer une approche expérimentale in vitro adaptée à l’étude d’impact des expositions de cellules épithéliales nasales humaines à des polluants environnementaux, en particulier les COV. La force de ce travail est d’avoir mis en place des méthodologies approchant les conditions réelles d’exposition, et de les avoir appliquées à des atmosphères d’environnement intérieur. Au terme de ces travaux, les acquis méthodologiques ont porté sur le modèle de cellules épithéliales nasales évoluant de la culture primaire à l’épithélium reconstitué, constitué de plusieurs types cellulaires, proche de l’épithélium respiratoire humain ; la génération d’atmosphère chargée en mono (formaldéhyde) ou multi-polluants (COV issus de peinture du commerce), et surtout son contrôle analytique, étape essentielle pour valider notre démarche expérimentale ; l’exposition répétée (jusqu’à 3 par semaine, de durée allant jusqu’à 2 heures, sur une période totale d’au moins un mois) en interface air-liquide, sans perte d’intégrité cellulaire, dynamique (sous flux d’air) pour les polluants gazeux, ou statique (sans flux) pour dépôt des particules ; l’étude morphologique et histologique de l’épithélium, développée comme marqueur d’effet complétant l’approche biologique centrée sur la réponse inflammatoire. L’exposition au formaldéhyde gazeux à une concentration proche des niveaux environnementaux intérieur, n’a pas eu d’effet sur les marqueurs de l’inflammation. Lors de l’exposition de l’épithélium reconstitué choisi (MucilAirTM, Société Epithelix) aux COV, une inhibition de la production spécifique d’IL-8 dépendant de la dose et du nombre d’exposition est observée, alors que l’intégrité tissulaire de l’épithélium n’est pas altérée. Le mécanisme de cette inhibition demande à être exploré plus avant. Pour autant, la réactivité du modèle, en matière de réaction inflammatoire et de changement de structure de l’épithélium a été validée lors d’expositions à un mélange environnemental complexe (particules de fumée de tabac). Notre approche in vitro innovante peut être élargie à l’étude d’autres atmosphères multi-polluants (chimiques, physiques et biologiques) afin d’être au plus proche des conditions réelles d’expositions, mais aussi à d’autres organes cibles. / Increase of respiratory diseases since the second half of the 20th century and emergence of specific symptoms related to closed environments contributed to suspect indoor air pollution, in particular volatile organic compounds (VOC), as a risk factor in the onset of these diseases. Epidemiological and experimental approaches are useful to determine its sources, determinants and effects on the human respiratory tract. Current experimental policies favor replacing animal experiments by alternative methods like in vitro methodologies, for economic and ethical reasons. Until now, in vitro models have been poorly developed to study environmental pollutants on respiratory cells. The objective of our work was to propose an experimental approach adapted to the study of the impact of environmental pollutants, particularly VOC, on human nasal epithelial cells. The strength of this work is to set up a methodology close to actual conditions of exposure, and apply them to indoor environment atmospheres. The methodology developed aimed to study reconstituted epithelium coming from primary culture of nasal cells, composed of several cell types, close to human respiratory epithelium; generate atmosphere charged with mono (formaldehyde) or multi-pollutant (VOC paint), and especially its analytical control (an essential step to validate our experimental approach); and repeated exposure (3 per week, until to two hours, over a total period of one month) at air-liquid interface without loss of cellular integrity, in dynamic conditions (under airflow) for gaseous pollutants, or static (without airflow) for particles. The setup of a morphological and histological approach allowed to complete biological effect (inflammatory response). Gaseous formaldehyde exposure at low concentration had no effect on inflammatory markers. VOC exposures on selected reconstituted epithelium (MucilAirTM, Epithelix Company) showed a decreased release of IL-8 depending on the dose and the number of exposure, without tissue damage. The mechanism of this effect needs to be further investigated. Responsiveness of the model, in terms of inflammation and structural changes of the epithelium was validated by assessing complex environmental mixture (tobacco smoke particles). Our innovative in vitro approach can be extended to the study of other multi-pollutant atmospheres (chemical, physical and biological) in order to get close to the actual conditions of exposure, but also by using other target organs.