Thesis (Ph.D.)--University of Alberta, 2010. / A thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, Medicine. Title from pdf file main screen (viewed on April 27, 2010). Includes bibliographical references.

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Granulocytes represent the first line of defense against bacteria and fungi. Daily production of granulocytes is sustained by steady state granulopoiesis but under stress (e.g., bacterial infection) this program switches to emergency granulopoiesis (EG) which ensures the production of granulocytes at enhanced and accelerated rates. Very little is known about the regulation of EG. In this thesis, we showed that disruption of the β-catenin-TCF/LEF mediated transcription impairs EG in vivo. Further, we demonstrated that lipopolysaccharide (LPS) administration in mice induces accumulation of active β-catenin in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) as early as 4 hours (H) after stimulation, with highest increase at 24H. This effect was at least partially mediated in a niche independent manner, since LPS stimulation in vitro induced β-catenin accumulation in c-Kit+ cells after 2H, with a peak activation at 4H. Using single cell RNA sequencing, we determined the cell cluster dynamics of HSPCs following 4H LPS stimulation. Interestingly, we identified a possible upstream activator of β- catenin in one of the clusters - Wnt10b. Indeed, Wnt10b showed a similar expression pattern as EG master regulator Cebpb and β-catenin activation, following in vitro treatment with LPS. Altogether, our data point...

L’injection de cellules immunologiquement compétentes à un hôte histo-incompatible amène une réaction qui peut se traduire par la maladie du greffon-contre-l’hôte (GVHD). La GVHD demeure une barrière importante à une utilisation plus répandue de la greffe allogénique de cellules hématopoïétiques (AHCT), pourtant un traitement efficace pour traiter de nombreuses maladies. Une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent cette pathologie pourrait en faciliter le traitement et la prévention. L’Interféron-gamma (IFN-γ) et le Transforming Growth Factor-béta (TGF-β) sont deux cytokines maîtresses de l’immunité impliquées dans la fonction et l’homéostasie des cellules greffées. Nous démontrons chez la souris que l’IFN-γ limite la reconstitution lympho-hématopoïétique de façon dose-dépendante en mobilisant des mécanismes d’apoptose et en inhibant la prolifération cellulaire. Le TGF-β est quant à lui généralement connu comme un immunosuppresseur qui contrôle l’immunité en utilisant plusieurs voies de signalisation. Le rôle relatif de ces voies en AHCT est inconnu. Nous avons étudié une de ces voies en greffant des cellules provenant de donneurs déficients pour le gène SMAD3 (SMAD3-KO), un médiateur central de la voie canonique du TGF-β, à des souris histo-incompatibles. Bien que l’absence de SMAD3 ne cause aucune maladie chez nos souris donneuses, l’injection de cellules SMAD3-KO amène une GVHD du colon sévère chez le receveur. Cette atteinte est caractérisée par une différenciation Th1 et une infiltration massive de granulocytes témoignant d’un rôle central de SMAD3 dans la physiologie des lymphocytes T CD4 et des cellules myéloïdes. Nous avons focalisé ensuite nos efforts sur le rôle de SMAD3 chez les lymphocytes T CD4 en sachant que SMAD3 était actif chez les lymphocytes T CD4 tolérants. Nous avons découvert que SMAD3 était rapidement inactivé après une activation des cellules T, suggérant que l’inactivation de SMAD3 était fonctionnellement importante pour briser l’état de tolérance. Des études de micro-puces d’ADNc nous ont montré que SMAD3 contrôlait en effet l’expression de nombreux transcrits de gènes connus comme étant reliés à la tolérance et/ou à des processus biologiques dont les rôles dans le maintien de la tolérance sont plausibles. / The injection of immuno-competent cells into a histo-incompatible host can result in the development of Graft-versus-Host disease (GVHD). GVHD is the most significant barrier to a more widespread use of allogeneic hematopoietic cell transplantation (AHCT), a potent treatment for several diseases. A better understanding of the pathophysiological underpinnings of GVHD would facilitate the design of rational approaches to treat and prevent this complication of AHCT. Gamma-interferon (IFN-γ) and Transforming Growth Factor-beta (TGF-β) are master cytokines of immunity and have a role in the function and homeostasis of transplanted cells. Using a murine model, we show that IFN-γ curtails lympho-hamatopoitic reconstitution in a dose-dependent fashion by increasing apoptosis and by limiting donor cell proliferation. TGF-β is an immunosuppressive cytokine that controls immune cells through multiple signaling pathways. The relative contribution of these pathways in AHCT is unknown. We specifically studied the role of one of these pathways by transplanting SMAD3 deficient cells (SMAD3-KO) in histo-incompatible hosts. SMAD3 is a key mediator of the so-called canonical TGF-β signaling pathway. Although SMAD3-KO donor mice are healthy, the injection of SMAD3-KO cells leads to severe GVHD in the hosts, characterized by intestinal involvement associated with Th1 skewing and massive granulocyte infiltration. These findings hint at a crucial role for SMAD3 in CD4 T-cell and myeloid cell biology. We then focalized on the role of SMAD3 in CD4 T cells knowing that SMAD3 is active in tolerant, resting CD4 T cells. We found that SMAD3 was rapidly inactivated upon T cell activation, suggesting that SMAD3 inactivation was functionally important to break the state of tolerance. Our cDNA microarray experiments show that indeed, SMAD3 regulates the transcript levels of multiple genes known to be involved in T cell tolerance and in biological processes plausibly related to immune tolerance.

The focus of this work was to functionally characterize the CD300e receptor expressed in human monocytes and myeloid dendritic cells and investigate the implications that receptor engagement has on their biology. We provide evidence formally supporting that CD300e functions as an activating receptor capable of regulating the innate immune response by triggering various pro- inflammatory functions including intracellular calcium mobilization, superoxide anion production, pro-inflammatory cytokine release and up-regulation of co-stimulatory molecules in myeloid cells. We also report that ligation of CD300e on the surface of monocytes results in their differentiation to functional MΦ2-like macrophages by an autocrine mechanism that involves M-CSF and its receptor (CD115). / L'objectiu d'aquest treball ha estat caracteritzar funcionalment el receptor CD300e expressat en monòcits i cèl·lules dendrítiques mieloides humanes, així com investigar les implicacions que l'activació d'aquest receptor pot tenir en la seva biologia. Demostrem formalment que el receptor CD300e funciona com un receptor activador capaç de regular la resposta immune innata activant diverses funcions proinflamatòries, incloent la mobilització de calci intracel·lular, la producció d'anió superòxid, la secreció de citocines proinflamatòries i la inducció de molècules coestimuladores en cèl·lules mieloides. També descrivim que l'activació del receptor CD300e a la superfície dels monòcits provoca la seva diferenciació cap a macròfags funcionals del tipus MΦ2 gràcies a un mecanisme autocrí que funciona a través del M-CSF i el seu receptor (CD115).

In der vorliegenden Arbeit wurde Gewebe aus den Nasennebenhöhlen von Patienten mit Nasenpolypen untersucht. Außerdem wurden Zusammenhänge zwischen den Zellpopulationen und den Angaben zu allergischen Erkrankungen und wiederholtem Auftreten der Polypen analysiert. Es fand sich eine interindividuell unterschiedlich starke Infiltration mit eosinophilen Granulozyten. Es konnten keine Unterschiede in der prozentualen Verteilung von eosinophilen Granulozyten im Polypengewebe bei allergischen/ nichtallergischen Patienten oder Patienten mit/ ohne Rezidiv nachgewiesen werden. Die Untersuchungen erfolgten mit dem Laser Scanning Zytometer (LSC), das mit der Standardmethode, der Begutachtung mittels Lichtmikroskop, verglichen wurde. Mit der beschriebenen Methode erfolgte die Untersuchung von Polypengewebe nach einem speziell für diese Anwendung entwickelten Protokoll. Die Ergebnisse korrelierten gut mit den Ergebnissen der Lichtmikroskopie. Aufgrund der Weiterentwicklung des LSC und der ständig wachsenden Anzahl der Nachweismöglichkeiten der an der Polyposis nasi beteiligten Zytokine stellt das LSC eine ideale Methode für die Erforschung der Pathogenese von chronischen Entzündungen der Nasennebenhöhlen dar.

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L’injection de cellules immunologiquement compétentes à un hôte histo-incompatible amène une réaction qui peut se traduire par la maladie du greffon-contre-l’hôte (GVHD). La GVHD demeure une barrière importante à une utilisation plus répandue de la greffe allogénique de cellules hématopoïétiques (AHCT), pourtant un traitement efficace pour traiter de nombreuses maladies. Une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent cette pathologie pourrait en faciliter le traitement et la prévention. L’Interféron-gamma (IFN-γ) et le Transforming Growth Factor-béta (TGF-β) sont deux cytokines maîtresses de l’immunité impliquées dans la fonction et l’homéostasie des cellules greffées. Nous démontrons chez la souris que l’IFN-γ limite la reconstitution lympho-hématopoïétique de façon dose-dépendante en mobilisant des mécanismes d’apoptose et en inhibant la prolifération cellulaire. Le TGF-β est quant à lui généralement connu comme un immunosuppresseur qui contrôle l’immunité en utilisant plusieurs voies de signalisation. Le rôle relatif de ces voies en AHCT est inconnu. Nous avons étudié une de ces voies en greffant des cellules provenant de donneurs déficients pour le gène SMAD3 (SMAD3-KO), un médiateur central de la voie canonique du TGF-β, à des souris histo-incompatibles. Bien que l’absence de SMAD3 ne cause aucune maladie chez nos souris donneuses, l’injection de cellules SMAD3-KO amène une GVHD du colon sévère chez le receveur. Cette atteinte est caractérisée par une différenciation Th1 et une infiltration massive de granulocytes témoignant d’un rôle central de SMAD3 dans la physiologie des lymphocytes T CD4 et des cellules myéloïdes. Nous avons focalisé ensuite nos efforts sur le rôle de SMAD3 chez les lymphocytes T CD4 en sachant que SMAD3 était actif chez les lymphocytes T CD4 tolérants. Nous avons découvert que SMAD3 était rapidement inactivé après une activation des cellules T, suggérant que l’inactivation de SMAD3 était fonctionnellement importante pour briser l’état de tolérance. Des études de micro-puces d’ADNc nous ont montré que SMAD3 contrôlait en effet l’expression de nombreux transcrits de gènes connus comme étant reliés à la tolérance et/ou à des processus biologiques dont les rôles dans le maintien de la tolérance sont plausibles. / The injection of immuno-competent cells into a histo-incompatible host can result in the development of Graft-versus-Host disease (GVHD). GVHD is the most significant barrier to a more widespread use of allogeneic hematopoietic cell transplantation (AHCT), a potent treatment for several diseases. A better understanding of the pathophysiological underpinnings of GVHD would facilitate the design of rational approaches to treat and prevent this complication of AHCT. Gamma-interferon (IFN-γ) and Transforming Growth Factor-beta (TGF-β) are master cytokines of immunity and have a role in the function and homeostasis of transplanted cells. Using a murine model, we show that IFN-γ curtails lympho-hamatopoitic reconstitution in a dose-dependent fashion by increasing apoptosis and by limiting donor cell proliferation. TGF-β is an immunosuppressive cytokine that controls immune cells through multiple signaling pathways. The relative contribution of these pathways in AHCT is unknown. We specifically studied the role of one of these pathways by transplanting SMAD3 deficient cells (SMAD3-KO) in histo-incompatible hosts. SMAD3 is a key mediator of the so-called canonical TGF-β signaling pathway. Although SMAD3-KO donor mice are healthy, the injection of SMAD3-KO cells leads to severe GVHD in the hosts, characterized by intestinal involvement associated with Th1 skewing and massive granulocyte infiltration. These findings hint at a crucial role for SMAD3 in CD4 T-cell and myeloid cell biology. We then focalized on the role of SMAD3 in CD4 T cells knowing that SMAD3 is active in tolerant, resting CD4 T cells. We found that SMAD3 was rapidly inactivated upon T cell activation, suggesting that SMAD3 inactivation was functionally important to break the state of tolerance. Our cDNA microarray experiments show that indeed, SMAD3 regulates the transcript levels of multiple genes known to be involved in T cell tolerance and in biological processes plausibly related to immune tolerance.

Les nanomatériaux combinant des fonctions de ciblage, d'imagerie, de thérapie et de détection font l'objet de nombreuses recherches dans le domaine de la santé. Les travaux présentés dans cette thèse concernent la multi‐fonctionnalisation de nanoparticules (NPs) par un procédé de synthèse supportée. Le support solide développé dans cette étude est constitué d'un matériau poreux en verre sur lequel sont greffées de manière temporaire des nanoparticules de silice. La fonctionnalisation de la surface des nanoparticules a été réalisée de façon automatisée par une chimie de synthèse dite aux phosphoramidites. Dans un premier temps, cette technique a permis d'obtenir des densités de greffage de l'ordre de 5000 à 7000 oligonucléotides par nanoparticule, ce qui représente une fonctionnalisation 10 à 20 fois supérieure à celles obtenues par des méthodes de greffage en solution. Les brins d'ADN synthétisés sur les NPs ont montré une bonne accessibilité pour l'hybridation avec un brin d'ADN complémentaire, ouvrant la voie à des applications thérapeutiques ou à l'intégration de ces objets dans des systèmes de détection. La deuxième partie de ces travaux est consacrée à la vectorisation d'une protéine thérapeutique, le G‐CSF (facteur de croissance de colonies de granulocytes), par des nanoparticules présentant également des propriétés d'imagerie. Ces nanovecteurs thérapeutiques ont montré des propriétés de stimulation cellulaire in vitro et de ciblage de la rate, organe réservoir de neutrophiles, in vivo. Enfin il a été démontré que la modification de NPs sur support ouvre des perspectives intéressantes pour la préparation d'assemblages complexes de nanoparticules (dimères et NPs dissymétriques) / Nanomaterials combining targeting, imaging, therapy and sensing properties are of growing interest for biomedical applications. The work reported in this thesis concerns nanoparticle (NP) multifunctionalization by solid phase synthesis. The solid support developed in this study is composed of a porous glass material on which silica NPs are temporarily grafted. Nanoparticle surface functionalization was performed by automated synthesis using phosphoramidite chemistry. Firstly, high surface loadings from 5000 to 7000 oligonucleotides per NP were achieved, representing a functionalization 10 to 20‐fold greater than those obtained by coupling methods in solution. DNA strands synthesized on NPs showed a good accessibility for hybridization with a complementary DNA strand, paving the way for therapeutic applications or integration of these objects in detection systems. The second part of this work was devoted to the vectorization of a therapeutic protein, GCSF (Granulocyte‐Colony Stimulating Factor) by nanoparticles that also exhibited imaging properties. These therapeutic nanocarriers showed cell stimulating properties in vitro and spleen targeting, which is a reservoir of neutrophils, in vivo. Finally, it was demonstrated that the solid phase modification of NPs opens interesting perspectives for the production of complex nanoparticle assemblies (dimers and asymmetric NPs)

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