Detrimental immune and inflammatory responses contribute to the pathogenesis of various conditions, including Crohn’s disease, Lupus, and sepsis.1,2,3 Unfortunately, novel treatments for detrimental immune and inflammatory responses have been met with little success. Mesenchymal stromal cells (MSCs) represent a promising cellular therapy to treat immune and inflammatory disorders due to their ability to suppress the immune system. However, despite their promise, clinical trials that have employed MSC cellular therapies have produced varying and sometimes conflicting results. These discrepancies have been partially attributed to the cellular heterogeneity within MSC populations. To address these discrepancies, I performed transcriptomic and proteomic analysis of MSCs with varying immunomodulatory capacity to identify robust immunomodulatory biomarkers and gain better mechanistic insights into MSC immunomodulatory function. In this study, MSCs with differing immunomodulatory function were identified and the effect of in vitro passaging and proinflammatory induction on immunomodulatory ability was characterized. To characterize MSC immunomodulatory control mechanisms, RNA sequencing and proteomic analyses were performed on MSCs with different immunomodulatory capabilities. These analyses enabled the identification of potential immunomodulatory biomarkers and regulatory mechanisms. Finally, to test the therapeutic efficacy of immunomodulatory MSC subpopulations, I developed a humanize mouse model for sepsis. Overall, this work contributes to our understanding of MSC immunomodulation and to the development of a robust MSC cellular therapeutics.

Les cellules épithéliales qui produisent l’émail, les améloblastes, sont séparées de l'émail au niveau de la zone de maturation par une membrane basale spécialisée (MBS) enrichie en laminine 332 (LM-332). Cette protéine hétérotrimérique (composée des chaînes α3, ß3 et γ2) assure l'intégrité structurelle des membranes basales (MB) et influence divers processus cellulaires épithéliaux tels que l'adhésion et la différenciation cellulaire. Des modèles de souris « knockout » (KO), où les gènes codant pour LM-332 ont été supprimés, meurent peu après la naissance. Néanmoins, ce phénotype létal peut être contourné en substituant chez la souris le gène produisant la chaîne γ2 de la laminine (LAMC2) par sa forme humaine, sous le contrôle de l’expression du promoteur-rtTA, de la cytokératine 14, inductible par la prise de doxycycline (Dox) - (Tet-on). Le but de ce projet est d’examiner si l’utilisation de cette protéine humaine chez la souris a un effet sur la structuration de la MBS ainsi que sur la maturation de l'émail. La phase de maturation de l’organe de l’émail chez la souris transgénique a été sévèrement altérée par rapport à une souris normale (WT). La MBS n’est plus visible, une matrice dystrophique s’est formée dans la couche d'émail dans la phase de maturation, et la présence d’une matrice résiduelle de l'émail est observée durant la phase tardive de maturation. Des micro-analyses tomographiques ont révélé une usure excessive des surfaces occlusales des molaires, un écroulement de l'émail sur les pointes des incisives et une hypominéralisation de l'émail. Cependant, aucune altération structurale due à cette recombinaison transgénique n’a été observée dans d'autres sites épithéliaux, tels que la peau, le palais et la langue. Ces résultats indiquent que, bien que ce modèle de souris humanisée soit capable de rétablir ses fonctions dans divers tissus épithéliaux, il est incapable de soutenir la structuration d'une MBS à l'interface entre les améloblastes et l’émail en maturation. Cet échec peut être lié à la composition spécifique de la MBS dans la phase de maturation et supporte l’hypothèse que la MBS est essentielle pour la maturation adéquate de l'émail. / The epithelial ameloblasts are separated from the maturing enamel by an atypical basement membrane (BM) that is enriched in laminin 332 (LM-332). This heterotrimeric protein (α3, ß3 and γ2 chains) provides structural integrity to BMs and influences various epithelial cell processes including cell adhesion and differentiation. Mouse models that lack expression of individual LM-332 chains die shortly after birth. The lethal phenotype of laminin γ2 knockout mice can be rescued by human laminin γ2 (LAMC2) expressed using a doxycycline-inducible (Tet-on) cytokeratin 14 promoter-rtTA. These otherwise normal-looking rescued mice exhibit white spot lesions on incisors. We therefore investigated the effect of rescue with human LAMC2 on enamel maturation and structuring of the atypical BM. The maturation stage enamel organ in transgenic mice was severely altered as compared to wild type controls, a structured BM was no longer discernible, dystrophic matrix appeared in the maturing enamel layer, and there was residual enamel matrix late into the maturation stage. Microtomographic scans revealed excessive wear of occlusal surfaces on molars, chipping of enamel on incisor tips, and hypomineralization of the enamel layer. No structural alterations were observed at other epithelial sites, such as skin, palate and tongue. These results indicate that while this humanized mouse model is capable of rescue in various epithelial tissues, it is unable to sustain structuring of a proper BM at the interface between ameloblasts and maturing enamel. This failure may be related to the atypical composition of the BM in the maturation stage and reaffirms that the atypical BM is essential for enamel maturation.

La Granulomatose Septique Chronique (CGD) est une maladie génétique rare de l’immunodéficience innée affectant les cellules phagocytaires (neutrophiles, macrophages). Elle est causée par des mutations dans les sous-unités du complexe NADPH oxydase formé du cytochrome b558 membranaire (NOX2 associé à p22phox) et de facteurs cytosoliques (p47phox, p67phox et p40phox). La déficience de ce complexe enzymatique va conduire à l’absence de formation de formes réactives de l’oxygène (FRO) microbicides et donc à l’apparition d’infections graves et récurrentes très tôt dans l’enfance. La chimioprophylaxie à vie permet de protéger ces patients mais peut être responsable d’effets indésirables. La seule thérapie curative est la transplantation de moelle osseuse mais tous les patients ne peuvent en bénéficier, et la thérapie génique n’est pas encore envisageable. Il y a donc un manque réel de nouvelles thérapies pour cette maladie. Cependant pour développer de nouveaux traitements, il faut disposer de modèles physiopathologiques pertinents. Or, les modèles existants sont imparfaits ou manquants. Le but de notre travail est donc de produire des modèles cellulaires et animaux de la CGD pour développer dans un second temps, une nouvelle approche thérapeutique basée sur l’utilisation de protéoliposomes.Grâce à leurs propriétés de pluripotence et d’auto-renouvellement à l’infini, les cellules souches pluripotentes induites (iPS) sont un outil puissant pour la modélisation physiopathologique. Ainsi, à partir de fibroblastes de patients atteints de CGD reprogrammés en cellules iPS, nous avons mis au point un protocole efficace de différenciation hématopoïétique in vitro en neutrophiles et macrophages. Nous avons montré que ces cellules phagocytaires sont matures et reproduisent parfaitement le phénotype déficient en FRO des patients CGD. Nous avons donc obtenu des modèles cellulaires pertinent modélisant trois formes génétiques de CGD, la CGD liée à l’X et deux formes autosomiques récessives, CGDAR22 et CGDAR47.Nous avons ensuite réalisé la preuve du concept de l’efficacité de protéoliposomes thérapeutiques sur les macrophages modélisés de la forme CGDX, la forme génétique la plus fréquente (70 % des cas) due à l’absence du cytochrome b558 membranaire (NOX2/p22phox). Grâce à une collaboration avec la start-up Synthelis SAS, des liposomes contenant le cytochrome b558 au niveau de la membrane lipidique ont été produits dans un système d’expression acellulaire basé sur l’utilisation d’extraits d’Escherichia coli. Ces liposomes NOX2/p22phox sont capables de reconstituer une enzyme NADPH oxydase fonctionnelle in vitro et de délivrer le cytochrome b558 à la membrane plasmique des macrophages CGDX qui présentent alors une restauration de l’activité NADPH oxydase avec la production de FRO.Enfin, nous nous sommes proposés de générer des souris dites « humanisées » par transplantation de cellules souches hématopoïétiques CD34+ capables de prise de greffe et de reconstitution hématopoïétique dans des souris immunodéficientes. A partir de cellules iPS saines, nous avons réussi à produire des cellules hématopoïétiques CD34+ possédant un potentiel hématopoïétique in vitro. Cependant, malgré des résultats encourageants, aucune prise de greffe in vivo n’a pu être réellement confirmée à ce jour.Pour conclure, nous avons donc montré au cours de ce projet, la production de modèles cellulaires de trois formes génétiques de CGD à partir de cellules iPS. Puis le modèle de macrophages CGDX nous a permis de faire la preuve de l’efficacité d’une nouvelle thérapie in vitro, une « enzymothérapie substitutive liposomale », qui pourrait à terme, offrir une alternative thérapeutique pour le traitement des infections aigües pulmonaires des patients CGD réfractaires aux traitements antibiotiques et antifongiques conventionnels. / Chronic Granulomatous Disease (CGD) is a rare inherited pathology of the innate immune system that affects the phagocytic cells (neutrophils, macrophages). This disease is caused by mutations in the subunits of the NADPH oxidase complex composed of the membrane cytochrome b558 (NOX2 associated with p22phox) and the cytosolic components (p47phox, p67phox et p40phox). Dysfunction in this enzymatic complex leads to the absence of microbicidal reactive oxygen species (ROS) and therefore to the development of recurrent and life-threatening infections in early childhood. Life-long prophylaxis is used to protect these patients but it may be responsible for side effects. Bone marrow transplantation is the only curative treatment but it can not be proposed to all the patients. In addition, gene therapy is not possible up to now. So there is a real lack of new therapies for this disease. However, to develop new therapeutic approaches, relevant physiopathological models must be available. Actually, existing models are imperfect or missing. Thus, the goal of our work is to produce cellular and animal models of CGD to develop a new proteoliposome-based therapy.Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are a powerful tool for physiopathologic modeling due to their pluripotency and self-renewal properties. Using CGD patient-specific iPSCs regrogrammed from fibroblasts, we developped an efficient protocol for in vitro hematopoietic differentiation into neutrophils and macrophages. We showed that the phagocytic cells produced are mature and reproduce the ROS-deficient phenotype found in CGD patients. Thus, we obtained relevant cellular models for three genetic forms of CGD: X-linked CGD and the two autosomal recessive forms AR22CGD and AR47CGD.Then, we demonstrated the proof-of-concept of the efficacy of therapeutic proteoliposomes on X-CGD iPS-derived macrophages. Indeed, X-CGD is the main form of the disease (70% of cases) and is caused by the absence of the membrane cytochrome b558 (NOX2/p22phox). Thanks to a collaboration with the start-up Synthelis SAS, liposomes integrating the cytochrome b558 into lipid bilayers were produced in an E. coli-based cell-free protein expression system. These NOX2/p22phox liposomes were able to reconstitute a functional NADPH oxidase enzyme in vitro and to deliver the cytochrome b558 at the plasma membrane of X-CGD macrophages, leading to restore the NADPH oxidase activity with a ROS production.Finally, we proposed to generate « humanized » mice models with a human immune system after transplantation of CD34+ hematopoietic stem cells able to engraft and reconstitute long-term hematopoiesis in immunodeficient mice. Using healthy iPSCs, we successfuly produced CD34+ hematopoietic cells with in vitro hematopoietic potential. However, no in vivo engraftment was really confirmed yet.In conclusion, during this project, we produced cellular models of three genetic forms of CGD using patient-specific iPSCs. Then, X-CGD macrophages were used to demonstrate in vitro the efficacy of a new therapy. This « liposomal replacement enzymotherapy » could, in the future, represents a curative alternative against life-threatening lung infections refractory to conventional antibiotic and antifungal therapy.

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La réaction du greffon contre l’hôte (GvHD) est une complication majeure de la transplantation de cellules souches hématopoïétiques (HSCT). Les traitements de prophylaxie contre le développement de la GvHD reposent essentiellement sur l’utilisation d’agents immunosuppresseurs, ce qui contribue à ralentir la reconstitution immunitaire post-greffe et à prolonger la durée de l’état immunosupprimé des patients. Le développement de prophylaxie pour la GvHD à base d’agents immunomodulateurs est ainsi privilégié. À l’aide d’un modèle murin xénogénique chez les souris NOD/scid-IL2rγ-/- (NSG), on a étudié le potentiel immunomodulateur des immunoglobulines intraveineuses (IVIG) dans la prévention de la GvHD, ainsi que leurs effets sur la qualité et la cinétique de la reconstitution immunitaire. On a déterminé qu’un traitement hebdomadaire d’IVIG peut effectivement réduire l’incidence de la GvHD, ainsi que la mortalité qui y est reliée, avec une efficacité similaire à celle obtenue avec la cyclosporine A, un immunosuppresseur couramment utilisé dans la prophylaxie de la GvHD. Par ailleurs, on a déterminé que le mécanisme d’action des IVIG dans la réduction de la GvHD est distinct de celui des immunosuppresseurs. De plus, on a démontré que les IVIG induisent l’expansion et l’activation des cellules NK présentes au sein du greffon, lesquelles sont nécessaires pour l’obtention de l’effet protecteur des IVIG contre le développement de la GvHD, et sont dépendantes de la présence de lymphocytes T activés. Grâce à un modèle murin humanisé, on a également démontré que le traitement hebdomadaire d’IVIG induit un délai transitoire de la reconstitution humorale, ce qui n’affecte toutefois pas la qualité globale de la reconstitution immunitaire. Ces résultats mettent cependant en doute la pertinence de l’utilisation des IVIG dans les protocoles cliniques de prophylaxie de la GvHD, puisque les immunosuppresseurs seront toujours utilisés, et qu’on a démontré que les IVIG ont besoin de lymphocytes T activés afin de prévenir efficacement le développement de la GvHD. / Graft-versus-Host Disease (GvHD) is a major complication following hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Prophylactic treatments for the prevention of GvHD rely mostly on the use of immunosuppressors, which contribute to inhibit the patient’s immune reconstitution and prolong their immunosuppressed state. Development of immunomodulator-based prophylactic treatments is therefore preferred. Using NOD/scid-IL2rγ-/- mice, we developed a xenogeneic mouse model to assess the immunomodulatory potential of intravenous immunoglobulins (IVIG) for the prevention of GvHD, along with assessing their effect on the kinetics and the quality of the immune reconstitution in mice. We determined that weekly IVIG treatments reduced the incidence of GvHD and its related mortality. The effectiveness of IVIG for the prevention of GvHD was similar to that of cyclosporine A, an immunosuppressive drug routinely used for the prophylactic treatment of GvHD. Furthermore, we demonstrated that IVIG has a mechanism of action that is different from that of immunosuppressors. IVIG induce the expansion and activation of NK cells from the graft, which is mandatory for the preventive effect of IVIG on GvHD development. Furthermore, this IVIG-induced expansion and activation of NK cells require the presence of activated T lymphocytes. Using our humanized mouse model, we have also demonstrated that weekly IVIG treatments cause a transient delay of the humoral reconstitution, but do not affect the overall quality of the immune reconstitution. We have demonstrated that activated T lymphocytes are mandatory for the effective expansion and activation of NK cells, which in turn are essential to the IVIG-induced prevention of GvHD, and immunosuppressors will always be part of the prophylactic regimen of GvHD, therefore shining a doubt on the usefulness of adding IVIG to the prophylactic treatments for the prevention of GvHD.