Selon le modèle standard de l'hématopoïèse, la différenciation des cellules souches hématopoïétiques est un processus graduel de type arborescent. La première séparation a lieu au niveau de cellules multipotentes qui se scindent en progéniteurs lymphoïdes et myéloïdes communs. Bien que l'architecture de l'hématopoïèse humaine reste encore mal connue, de nombreux travaux suggèrent qu'elle ne suit pas le modèle standard. À ce jour encore, la question de l'existence d'un équivalent humain du CLP murin, n'a pas été tranchée. L'étude de l'hématopoïèse humaine soulève des problèmes méthodologiques. Ceci est lié au difficile accès au; prélèvements de moelle primaire et les études sur le sang placentaire ne reflètent pas complétement le développement médullaire. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle in vivo d'hématopoïèse foetale humaine chez la souris NSG par xénogreffe de progéniteurs du sang placentaire. La caractérisation faite sur les populations générées dans la moelle osseuse de souris a révélé que ce modèle reproduit l'hématopoïèse foetale humaine. Nous montrons que la lymphopoïèse foetale humaine présente une organisation originale caractérisée par une duplication des axes développementaux. Nos travaux mettent en évidence l'émergence indépendante de deux type de progéniteurs lymphoïdes à partir d'un intermédiaire multipotent: une population ancestrale CD127+générant principalement des lymphocytes B folliculaires, ainsi que des cellules ILC3 ; une population CD127- générant des lymphocytes T, des lymphocytes B de la zone marginale, et des cellules NK/ILC1. Ces résultats montrent que l'hématopoïèse humaine ne suit pas le modèle standard établi chez la souris. / The standard model of hematopoiesis proposes that hematopoietic differentiation is a stepwise bifurcation process. The first separation downstream of hematopoietic stem cells will segregate mutipotent progenitors into common lymphoid and myeloid progenitors. In human many evidences support the idea that human hematopoietic organization doesn't follow the classical model, but the question was not concluded and need for further investigation. Due to limited access to primary bone marrow samples and lack of appropriate in vivo model human studies face many difficulties. In this work, we used a xenogeneic model of human fetal hematopoiesis in immune-deficient mice to dissect the early stages of lymphoid development. This model relies on the injection of UCB CD34+ cells into NSG mice. Flow cytometry analysis and gene expression profiling of humanized mice BM populations revealed that this model faithfully reproduces human fetal hematopoiesis. Combining in vitro differentiation assays to molecular studies and genetic approaches, we show that fetal human lymphopoiesis displays a dual organization, split into an ancestral CD127+ CLP-like population devoid o myeloid potential that differentiate preferentially into follicular B cells and ILC3s, and into a previously undescribed CD127- population mainly dedicated to the generation of T, marginal zone B, NK, and ILC1s We also provide evidence that Early Lymphoid Progenitors emerge independently from multipotent developmental intermediates referred to as lympho-mono'dendritic progenitors. These results confirm that human hematopoiesis doesn't follow the standard model of hematopoietic differentiation established in the mouse.

The kinetics of tumor growth and progression are governed by the interaction between tumor cells, the non-malignant stroma and both innate and adaptive immune cell lineages. Innate immunity has a critical role in the control of tumor cell growth and metastasis. The microenvironment of many tumors is populated with innate immune cells, including regulatory natural killer (NK) cells and dendritic cells (DCs), tumor associated macrophages, and myeloid derived suppressor cells, that suppress normal immune function. Much of our understanding of interactions between tumors and the innate immune system is based on experimental studies performed in mouse “syngenic” models. However, there is clear need for a mechanistic understanding of the human innate immune system within the tumor microenvironment. The goal of my thesis is to characterize the interactions between human innate immune cells and tumors and to define specific pathways and cell lineages that are targets for immune modulation. A central focus of my thesis is the use of cutting-edge humanized mouse models based on the immunodeficient NOD-scid IL2Rgnull (NSG) mouse strain to study human immuno-oncology. In the first section of my thesis I describe studies that evaluate the influence of inflammatory stimuli on innate immune control of tumors. Agents that induce inflammation have been used since the 18th century for the treatment of cancer. The inflammation induced by agents such as toll-like receptor (TLR) agonists is thought to stimulate tumor-specific immunity in patients and augment control of tumor burden. While NSG mice lack murine adaptive immunity (T and B cells), these mice maintain a residual murine innate immune system that responds to TLR agonists. Here I describe a novel NSG mouse strain lacking TLR4 that fails to respond to lipopolysaccharide (LPS). NSG-Tlr4null mice support human immune system engraftment and enables the study of human specific responses to TLR4 agonists. My data demonstrate that specific stimulation of TLR4 activates human innate immune system and promotes regression of human patient derived xenograft (PDX) tumors. In the second section of my thesis I describe the development of an NSG mouse strain that constitutively expresses human Interleukin 15 (IL15) and supports the development of functional human NK cells. Using humanized NSG-IL15 transgenic mice (NSG-Tg(Hu-IL15), my data clearly demonstrate a critical role for human NK cells in limiting growth of a PDX melanoma. In the third section of my thesis I describe, the use of the bone marrow/liver/thymus (BLT) humanized mouse model to study the interactions between the human immune system and PDX melanoma and to evaluate the response of the melanoma to immunotherapy modalities. My results collectively suggest that mice engrafted with human immune systems and bearing human tumors can be harnessed as translational models, which are critically needed as tools to study tumor immunotherapy. These humanized mouse models are an ideal translational tool to advance our understanding of human immuno-oncology and for development and testing of novel immune therapies for the treatment of malignancies.

Viral protein r (Vpr) of Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) plays an important role in the ability of the virus to infect cells and cause disease. Two polymorphisms to Vpr have been shown to result in differences in disease progression in infected individuals. R36W tends to result in rapid disease progression while R77Q results in long-term non-progression. In order to better understand how these polymorphisms result in these different disease phenotypes, our lab has recently shown that in cell culture, the R36W polymorphism results in increased viral replication and greater induction of cell death. On the other hand, infection with R77Q results in increased G2 cell cycle arrest and increased induction of apoptosis. In this thesis, we have attempted to study how these two polymorphisms affect the ability of HIV-1 to cause cell death in primary CD4+ cells. We show that infection by a Vpr knockout virus results in increased apoptosis while infection with R77Q and R36W result in decreased apoptosis. Additionally, R77Q infection results in increased p24 production. Further, we attempted create a Rag2-/- γc-/- humanized mouse model in order to better study roles of these polymorphisms in vivo. An additional goal of this thesis was to characterize twelve novel Bacillus anthracis bacteriophage. B. anthracis is gram positive, anaerobic, rod best known for being the causative agent of anthrax. Bacteriophage, viruses that infect bacteria, have been used to identify bacterial contamination and to treat infection. Herein, we report the isolation, sequencing, and characterization of twelve novel phages that infect B. anthracis. The genomes were annotated using DNA Master and BLASTp. Hypothetical proteins were analyzed with Phyre2 to predict possible functions based on protein structure, revealing over 100 new predicted functions. Dotplot generation showed that these phages group into four distinct clusters. By running the major portal protein of one representative of each cluster through BLASTp, we have identified the closest relatives to our novel phages and placed them into their respective genera and groups.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第24885号 / 医科博第152号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 河本 宏, 教授 濵﨑 洋子, 教授 上野 英樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

La maladie du greffon contre l’hôte (GvHD) est une complication majeure des greffes de cellules souches hématopoïétiques (HSCT) qui survient dans 30 à 70% des cas et peut causer la mort, malgré un traitement prophylactique bien conduit. Il existe donc une réelle demande clinique pour améliorer ces traitements prophylactiques. Parce que ces traitements prophylactiques reposent en général sur des agents immunosuppresseurs, ceux-ci contribuent à diminuer la reconstitution immunitaire du patient, ce qui a un impact défavorable sur les infections et les taux de rechute d’hémopathie maligne, et donc limite leur utilisation. Les immunoglobulines (IVIG) pourraient représenter une alternative intéressante puisqu’elles ont des propriétés immunomodulatrices et qu’elles sont de plus couramment utilisées en clinique pour traiter des patients ayant un déficit immunitaire. Leur capacité à réduire l’apparition et la sévérité de la GvHD, sans toutefois inhiber ou nuire à la reconstitution immunitaire chez le patient n’a néanmoins jamais été clairement démontrée. Les objectifs de ce projet sont donc d’évaluer l’efficacité des IVIG à réduire l’incidence et la sévérité de la GvHD dans un modèle murin humanisé de GvHD, ainsi que de déterminer le mécanisme d’action des IVIG. Ce modèle consiste à injecter des huPBMCs à des souris immunodéprimées ne pouvant les rejeter. Les résultats obtenus suggèrent que les IVIG possèdent un effet immunomodulateur permettant de réduire les signes cliniques et de retarder l’apparition de la GvHD, tout en permettant l’apparition de cellules NK. Les IVIG agiraient de façon indirecte sur les huPBMCs afin d’induire l’apparition des cellules NK. / Graft-versus-host disease (GvHD) is a major complication following hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), occuring in 30 to 70% of HSCT despite proper prophylactic treatment, and can result in death. It is therefore primordial to improve the prophylactic treatments in order to reduce the frequency and severity of GvHD. Since these prophylactic treatments are based on the use of immunosuppressive agents, they inhibit the immune reconstitution and thus increase the risk of infections and relapse. Because of their immunomodulating properties, immunoglobulins (IVIG) represent a promissing alternative. Furthermore, IVIG are already widely used in patients with immune deficits. Since no study has yet clearly shown that IVIG can reduce GvHD without inhibiting the immune reconstitution in the patient, the scientific community is still debating their usefullness in GvHD prevention. Should their efficacy to reduce the incidence and severity of GvHD without impairment to the immune reconstitution be demonstrated, the use of IVIG could change the clinical outcome for HSCT patients, improving their remission and quality of life. The objectives of this project are to evaluate IVIG efficacy in GvHD prevention and to define the mechanism of action of IVIG. To fulfill these objectives, we will use a GvHD humanized mouse model, which consists of injecting huPBMCs in immunodeficient mice who can not reject them. Our results demonstrate an immunomodulatory effect of IVIG, allowing for reduced clinical signs and a slighlty increased survival in GvHD. A population of NK cells also appeared upon IVIG treatment and is believed to be indirectly induced by IVIG.

La maladie du greffon contre l’hôte (GvHD) est une complication majeure des greffes de cellules souches hématopoïétiques (HSCT) qui survient dans 30 à 70% des cas et peut causer la mort, malgré un traitement prophylactique bien conduit. Il existe donc une réelle demande clinique pour améliorer ces traitements prophylactiques. Parce que ces traitements prophylactiques reposent en général sur des agents immunosuppresseurs, ceux-ci contribuent à diminuer la reconstitution immunitaire du patient, ce qui a un impact défavorable sur les infections et les taux de rechute d’hémopathie maligne, et donc limite leur utilisation. Les immunoglobulines (IVIG) pourraient représenter une alternative intéressante puisqu’elles ont des propriétés immunomodulatrices et qu’elles sont de plus couramment utilisées en clinique pour traiter des patients ayant un déficit immunitaire. Leur capacité à réduire l’apparition et la sévérité de la GvHD, sans toutefois inhiber ou nuire à la reconstitution immunitaire chez le patient n’a néanmoins jamais été clairement démontrée. Les objectifs de ce projet sont donc d’évaluer l’efficacité des IVIG à réduire l’incidence et la sévérité de la GvHD dans un modèle murin humanisé de GvHD, ainsi que de déterminer le mécanisme d’action des IVIG. Ce modèle consiste à injecter des huPBMCs à des souris immunodéprimées ne pouvant les rejeter. Les résultats obtenus suggèrent que les IVIG possèdent un effet immunomodulateur permettant de réduire les signes cliniques et de retarder l’apparition de la GvHD, tout en permettant l’apparition de cellules NK. Les IVIG agiraient de façon indirecte sur les huPBMCs afin d’induire l’apparition des cellules NK. / Graft-versus-host disease (GvHD) is a major complication following hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), occuring in 30 to 70% of HSCT despite proper prophylactic treatment, and can result in death. It is therefore primordial to improve the prophylactic treatments in order to reduce the frequency and severity of GvHD. Since these prophylactic treatments are based on the use of immunosuppressive agents, they inhibit the immune reconstitution and thus increase the risk of infections and relapse. Because of their immunomodulating properties, immunoglobulins (IVIG) represent a promissing alternative. Furthermore, IVIG are already widely used in patients with immune deficits. Since no study has yet clearly shown that IVIG can reduce GvHD without inhibiting the immune reconstitution in the patient, the scientific community is still debating their usefullness in GvHD prevention. Should their efficacy to reduce the incidence and severity of GvHD without impairment to the immune reconstitution be demonstrated, the use of IVIG could change the clinical outcome for HSCT patients, improving their remission and quality of life. The objectives of this project are to evaluate IVIG efficacy in GvHD prevention and to define the mechanism of action of IVIG. To fulfill these objectives, we will use a GvHD humanized mouse model, which consists of injecting huPBMCs in immunodeficient mice who can not reject them. Our results demonstrate an immunomodulatory effect of IVIG, allowing for reduced clinical signs and a slighlty increased survival in GvHD. A population of NK cells also appeared upon IVIG treatment and is believed to be indirectly induced by IVIG.

Le développement de nouvelles stratégies vaccinales et le traitement de nombreuses pathologies dermatologiques font partis des enjeux majeurs des années à venir. L'étude et la compréhension des mécanismes de réponses immunitaires cutanées sont ainsi essentielles. Les cellules de Langerhans épidermiques et les cellules dendritiques dermiques jouent un rôle central dans l'immunité adaptative spécifique à un pathogène, et dans l'immunité innée, de par leur fonction de présentation des antigènes (APC), mais également d'activateur et de régulateur de l'action des autres cellules immunitaires. Durant ce travail de recherche, nous avons mis au point et testé plusieurs modèles d'étude des mécanismes de l'immunité cutanée. Un premier modèle de " souris humanisées " a été mis au point, à partir de souris immunodéprimées NSG HLA-A2 tg et de greffes de peau humaine. Une fois le modèle techniquement mis au point, nous avons vérifié de la conservation et de la fonctionnalité des APC. La faible conservation des APC au-delà de plusieurs semaines, nous a conduit à mettre au point un deuxième modèle de " souris humanisées " qui bénéficiaient d'injections intra-hépatiques de progéniteurs hématopoïétiques humains. La colonisation en APCs cutanées humaines n'étant pas suffisante, il a fallu injecter aux souris des APCs provenant du même sang que les progéniteurs hématopoïétiques afin d'obtenir une réponse immunitaire suffisante. La faible concentration en APC cutanées de ce modèle, la lourdeur et le coût de mise au point sont des limites non négligeables pour l'utilisation de ce support d'étude. Ces souris humanisées sont d’excellents modèles d’étude, mais ils présentent chacun leurs limites. Lorsque cela est possible il est ainsi plus simple d’utiliser des explants cutanés frais. Nous avons quantifié les APC cutanées en fonction du site d’origine (abdomen, seins…) et de l’âge du donneur de ces explants issus de chirurgie plastique. Sur les 21 explants testés, nous n’avons pas retrouvé de différence significative dans la concentration en APC quel que soit le site et l’âge du donneur. Ces 3 modèles offrent des possibilités d’étude des mécanismes de l’immunité cutanée, nous les utilisons actuellement au sein du laboratoire pour des tests vaccinaux, et pour l’étude du rôle de l’IL-32 produite par les kératinocytes impliqués dans l’activation des cellules de Langerhans. / The development of new vaccination strategies and the treatment of many dermatological pathologies are among the major challenges of the years to come. The study and understanding of the mechanisms of cutaneous immune responses are thus essential. Epidermal Langerhans cells and dermal dendritic cells play a central role in pathogen-specific adaptive immunity, and in innate immunity, by their antigen presenting function (APC), but also as an activator and regulator of the action of other immune cells.During this research, we developed and tested several models for the study of the mechanisms of cutaneous immunity. A first model of "humanized mice" was developed from immunosuppressed NSG HLA-A2 tg mice and human skin grafts. Once the model was technically developed, we verified the conservation and functionality of the APCs. The low PCA retention beyond several weeks, led us to develop a second model of "humanized mice" that benefited from intrahepatic injections of human hematopoietic progenitors. Since colonization in human skin APCs was not sufficient, it was necessary to inject the APCs from the same blood as the hematopoietic progenitors to obtain a sufficient immune response. The low concentration of skin APCs in this model, the cumbersomeness and the cost of development are not insignificant limits for the use of this study support.These humanized mice are excellent models of study, but they each have their limitations. Where possible, it is thus easier to use fresh skin explants. We quantified the cutaneous APCs according to the site of origin (abdomen, breasts ...) and the age of the donor of these explants resulting from plastic surgery. Of the 21 explants tested, there was no significant difference in APC concentration at any site and age of the donor.These three models offer possibilities for studying the mechanisms of skin immunity, we are currently using them in the laboratory for vaccine tests, and for studying the role of IL-32 produced by the keratinocytes involved in l activation of Langerhans cells.

Le virus HTLV-1 (Human T-cell Leukemia Virus Type 1) est l’agent étiologique de la Leucémie T de l’adulte (ATL) qui est caractérisée par la prolifération de cellules T CD4+ activées. L’absence de modèle animal fiable reproduisant la leucémogénèse associée à l’infection a ralenti la compréhension des étapes précoces du processus leucémogène et le développement de stratégies thérapeutiques efficaces. Récemment l’amélioration des modèles de souris humanisées a permis la reconstitution d’un système immunitaire humain dans des souris. L’injection de cellules souches hématopoïétiques purifiées à partir de sang de cordon humain dans des souris nouveau-nées de la lignée Rag2-/-γc-/- conduit à la formation de novo de cellules dendritiques, B et T humaines. Ces dernières étant la cible de l’infection par HTLV-1, nous avons infecté des souris humanisées avec des cellules productrices de HTLV-1. Cette inoculation conduit à l’infection stable des cellules humaines dans la souris humanisée et la formation de lymphome ou de leucémie à cellules T humaines activées. Cette infection altère le développement des cellules T dans le thymus conduisant à un phénotype plus mature des thymocytes. Ce modèle animal reproduisant l’infection et la pathogénèse associée nous a permis de suivre l’évolution de la clonalité du virus au sein des différents organes lymphoïdes. Basées sur ces observations, des tests préliminaires ont permis d’étudier une nouvelle approche thérapeutique potentiellement applicable en clinique humaine. Ce travail nous a également permis d’affiner le protocole conduisant à l’humanisation des souris afin d’obtenir une meilleure reconstitution humaine dans ce modèle. / Human T-cell Leukemia Virus type 1 (HTLV-1) is the etiologic agent of the Adult T-cell Leukemia (ATL), an aggressive lymphoproliferation of activated CD4+ T cells. The lack of a reliable small animal model to reproduce in vivo the leukemogenic process associated with HTLV-1 infection has impaired the understanding of the early stages of this process as well as the discovery of effective therapeutic approaches. Recently, improvement in the models of humanized mouse models were achieved allowing the development of a human immune system in mice. Injection of human hematopoietic stem and progenitors cells purified from cord blood into Balb/c Rag2-/-γc-/- newborns allows the de novo production of human dendritic, B and T cells. We infected humanized mice with HTLV-1 producing cell lines resulting in infection of human cells within the mice and the development of lymphomas and leukemias. This infection also results in the alteration of the T-cell development within the thymus pushing the thymocytes toward a more mature phenotype. This small animal model recapitulating in vivo the HTLV-1 infection and its associated pathogenesis gave us the opportunity to study the evolution of the clonality of the virus among human cells in different lymphoid organs. Based on these observations, preliminary results on the use of a new therapeutic approach were obtained. We finally tried to adjust the humanization protocol in order to obtain better engraftment in this model.

Die Sepsis ist ein gefürchtetes Krankheitsbild, das in hochentwickelten Industrienationen mit einer hohen Mortalität verknüpft ist und damit zu den häufigsten Todesursachen gehört. Die Pathomechanismen dieses komplexen und heterogenen Krankheitsbildes zu entdecken, gehört momentan zu den Hauptinteressengebieten der Sepsisforschung. Da die Interpretation klinischer Studien aufgrund der Heterogenität des Patientenguts schwierig ist, kommt der Entwicklung adäquater Tiermodelle eine entscheidende Bedeutung zu. Die hierbei gängigen Tiermodelle in Mäusen weisen jedoch Unzulänglichkeiten auf, die die Übertragung der in Tierexperimenten gewonnen Daten auf den klinischen Kontext nur teilweise ermöglichen. Eine Brücke kann hierbei das Tiermodell der humanisierten Maus schlagen, in der, durch Transplantation mit humanen hämatopoetischen Stammzellen, ein humanes Immunsystem reift. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, inwieweit die humanen Immunzellen in der humanisierten Maus in der Lage sind, auf LPS als Stimmulus zu reagieren. Darüberhinaus wird die Nutzung der Endotoxämie in der humanisierten Maus als alternatives Sepsismodell im Bezug zum klinischen Kontext untersucht. Hierbei ergab sich eine mögliche Nutzung des Endotoxämiemodells in der humanisierten Maus zur genaueren Erforschung des Zytokinmilieus, sowie neuer Surrogatmarker wie Pentraxin 3. Bezüglich der Reaktion einzelner immunologischer Subpopulationen und deren Bedeutung für die Klinik scheint eine Untersuchung an Modellen, die eine B- und T-Zell-Reifung nachvollziehen können und in der murine Residualzellen möglichst gering vorhanden sind, als sinnvoll.

Animal models have greatly contributed to the understanding of different aspects of human biology, as well as a variety of human-related pathogens and diseases. In order to study them, humanized mice susceptible to pathogens that replicate in human immune cells have been developed (e.g., humanized Rag2-/-γc-/- mice). These animals are engrafted with human hematopoietic stem cells (HSCs), resulting in the de novo development and maturation of the major functional components of the human adaptive immune system and the production of a variety of human cell types. Primary and secondary lymphoid organs in the mouse are populated with human cells, and animals have long term engraftment. These features make humanized mice an excellent in vivo model to study pathogenesis of human-specific viruses in the context of a human antiviral immune response. In addition, humanized mice have been shown to be useful preclinical models for the development and validation of antiviral therapeutics. In the present study, we aimed to successfully re-establish the humanized Rag2-/-γc-/- mouse model using cord blood-derived HSCs in our laboratory. We have shown that these mice sustain long term engraftment and systemic expansion of human cells, including the major targets of Kaposi's sarcoma Herpesvirus (KSHV) and Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), in peripheral blood and different lymphoid organs. Further, we have begun to evaluate the susceptibility of the humanized Rag2-/-γc-/- mouse model to infection with KSHV. We demonstrate that human lymphocytes differentiated in reconstituted Rag2-/-γc-/- mice are permissive to KSHV infection ex vivo. This finding was corroborated by detection of KSHV mRNA expression in the spleen of a humanized mouse at 6 months post infection. In a different study, we tested the in vivo antiviral efficacy of a novel HIV-1 fusion inhibitor (PIE-12-trimer) in humanized Rag2-/-γc-/- mice. We have determined the half life of PIE-12-trimer in mouse plasma. Furthermore, the administration of PIE-12-trimer to HIV-1 infected humanized Rag2-/-γc-/- mice prevents depletion of CD4+ T cells in blood, thus it may be useful to prevent AIDS in human patients.