Les taux de guérison du cancer du sein sont en progression constante, toutefois l’apparition de métastases osseuses contribue à la morbidité et à la mortalité des femmes à un stade avancé et les traitements actuels ne sont que palliatifs. Afin de prévenir les métastases osseuses, il est essentiel de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent les événements cellulaires précédant l'apparition de lésions squelettiques. Dans ce but, une analyse transcriptomique comparative a été réalisée entre une lignée de cellules de cancer du sein humaines MDA-MB-231 qui dissémine dans plusieurs organes sans site préférentiel, et une sous-population ostéotropique, les cellules B02, qui métastasent uniquement dans les os. Par comparaison à la lignée MDA-MB-231, les cellules B02 surexpriment Roundabout 4 (ROBO4), codant un récepteur cellulaire membranaire, appartenant à la famille des récepteurs de guidage axonal Roundabout. Physiologiquement, ROBO4 est impliqué dans l'angiogenèse, l'intégrité des vaisseaux sanguins et la migration des cellules souches hématopoïétiques dans la niche ostéoblastique. Afin de déterminer si ROBO4 peut, également, jouer un rôle de médiateur dans la localisation des cellules tumorales au sein de la moelle osseuse, nous avons invalidé ROBO4 dans les cellules B02 en utilisant une stratégie CRISPR / Cas9. In vivo, l'injection orthotopique de cellules B02 KO ROBO4 a entraîné la formation de tumeurs plus petites par rapport à celles formées par les cellules B02. De même, dans les os, on observe une forte diminution de la croissance tumorale et de l’étendue de l’ostéolyse. Des protocoles à court-terme de formation de micro-métastases ont également montré un rôle de ROBO4 dans les étapes précoces de la colonisation osseuse, probablement en agissant sur l'ancrage et/ou la survie des cellules tumorales. De plus, la colonisation d’une niche ostéoblastique humanisée implantée en sous-cutanée chez des souris NOD / SCID, par les cellules B02 KO ROBO4 a également été nettement réduite en comparaison aux cellules B02. Par conséquent, ROBO4 intervient dans la dissémination osseuse précoce de cellules cancéreuses du sein et dans la formation tumorale. In vitro, l’interaction des cellules B02 KO ROBO4 avec les cellules résidentes de la moelle osseuse est réduite par rapport à celle observée avec les cellules parentales B02. Les co-cultures de cellules B02 ou B02 KO ROBO4 en suspension avec les cellules de la moelle osseuse, conduisent à la formation de mammosphères hétérotypiques. Cependant, leurs tailles sont considérablement réduites suite à l'inhibition de ROBO4. Des résultats similaires sont observés lors de la culture homotypique de cellules B02 ou B02 KO ROBO4. On observe également une importante réduction de l’agrégation cellulaire lorsque ROBO4 est inhibée, suggérant un rôle de ROBO4 dans l’interaction cellulaire. De plus, les cellules B02 KO ROBO4 sont plus petites et plus isolées que les cellules B02 parentales, comme le montre l'analyse du cytosquelette d'actine. Ces résultats nous permettent d’émettre l’hypothèse que ROBO4 est une molécule d’adhérence jouant un rôle important dans la cohésion des cellules tumorales et dans l’interaction des cellules cancéreuses avec les cellules du microenvironnement osseux. De façon intéressante, l’inhibition de ROBO4, par utilisation d’un anticorps anti-ROBO4, réduit également la formation de sphéroïdes et la colonisation osseuse des cellules B02. L’ensemble de ces résultats suggèrent que ROBO4 pourrait être une nouvelle cible thérapeutique dans le traitement de tumeur primitive du sein et des métastases osseuses / The cure rates of breast cancer are steadily increasing; however, the occurrence of bone metastases contributes to the morbidity and mortality of women at an advanced stage and current treatments are only palliative. In order to prevent bone metastasis, it is vital to increase our understanding of the molecular mechanisms that control cellular events preceding the development of overt skeletal lesions. A comparative transcriptional analysis was performed between human MDA-MB-231 breast cancer cells that spread to several organs in animals, and a sub-population of the MDA-MB-231 cell line (B02) that metastasis only to bones. Compared to MDA-MB-231, B02 cells overexpress Roundabout 4 (ROBO4), encoding a cell surface receptor belonging to the Roundabout family of axonal guidance receptors. ROBO4 is involved in angiogenesis, blood vessel integrity and homing of hematopoietic stem cells in the osteoblastic niche. To determine whether ROBO4 could also mediate the homing of tumour cells in the bone marrow, we invalidate ROBO4 in B02 cells using a CRISPR/Cas9 strategy (KO ROBO4 B02). In vivo, orthotopic injection of KO ROBO4 B02 cells leads to smaller primary tumours compared to the ones formed by B02 control cell line. Moreover, in bone, ROBO4 invalidation induces a strong decrease of tumour growth, osteolysis occurrence and micrometastasis formation. Short-term protocols show the involvement of ROBO4 in the early-step of bone colonisation, probably by acting in tumour cell anchorage and/or survival. Furthermore, compared to B02 cells, the homing of KO ROBO4 B02 cells in a humanized osteoblastic niche implanted subcutaneously in NOD/SCID mice is also markedly reduced. Therefore, ROBO4 is involved in the early bone marrow dissemination of breast cancer cells and in tumor formation. According to this result, in vitro, the interaction of KO ROBO4 B02 cells with bone marrow resident cells is decreased, compared to what is observe with parental B02 cells. After the co-culture of B02 or KO ROBO4 cells in suspension with bone marrow resident cells, they both form heterotypic mammospheres. However, their size is substantially reduced in the absence of ROBO4. Similar findings were observed in homotypic culture of B02 or KO ROBO4 cells. An important decrease of tumor cell aggregation is also observed when ROBO4 is inhibited, suggesting a role of ROBO4 in cell interaction. Moreover, KO ROBO4 B02 cells are smaller and more isolated than parental B02 cells, as shown in actin cytoskeletal analysis. Altogether, these results provide strong evidence that ROBO4 is an adherent molecule which plays a crucial role in tumour cell cohesion and in the interaction of cancer cells with bone cells component. Interestingly, ROBO4 inhibition, using an anti-ROBO4 antibody, also reduces spheroid formation and bone colonization of B02 cells. Taken together, these results suggest ROBO4 as a new potential therapeutic target to treat primary breast tumours and bone metastasis

La sclérose en plaques (SEP) est caractérisée par des infiltrations périvasculaires de cellules immunitaires et par de la démyélinisation au sein du système nerveux central (SNC). Ces deux paramètres de la maladie sont associés à la fragilisation de la barrière hémato-encéphalique (BHE). En ce sens, le recrutement des cellules présentatrices d’antigène (CPA) myéloïdes, telles que les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques, dans le SNC à travers la BHE, est une étape cruciale dans l’initiation et la persistance de l’inflammation cérébrale. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1 est une nouvelle molécule d’adhérence qui médie une interaction de type homophilique et dont l’expression sur l’endothélium vasculaire de la BHE humaine fut identifiée grâce à une analyse protéomique des protéines associées à la BHE. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que l’expression de Ninjurin-1 augmente dans un contexte inflammatoire dans les cultures primaires de cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et sur les CPA myéloïdes humaines ex vivo et générées in vitro. De plus, les CPA infiltrantes retrouvées dans les lésions cérébrales de patients atteints de SEP et dans le SNC des souris atteintes d’encéphalomyélite autoimmune expérimentale (EAE), le modèle murin de la SEP, expriment de hauts niveaux de Ninjurin-1. À l’aide du modèle in vitro de la BHE, la neutralisation de Ninjurin-1 restreint spécifiquement la migration des monocytes à travers les CE-BHE sans affecter le recrutement des lymphocytes, ni la perméabilité des CE-BHE. Enfin, les souris atteintes d’EAE et traitées avec un peptide bloquant dirigé contre Ninjurin-1 présentent une maladie moins sévère ainsi qu’une diminution des CPA infiltrant le SNC et ce comparé au groupe contrôle. Ces résultats suggèrent que Ninjurin-1 est une molécule d’adhérence de la BHE impliquée dans le recrutement de CPA myéloïdes au sein du SNC et qu’elle peut être considérée comme une cible thérapeutique potentielle en SEP. / Multiple Sclerosis (MS) is characterized by perivascular infiltrations of immune cells and by demyelination in the central nervous system (CNS). These two hallmarks of the disease are associated with the disruption of the blood-brain barrier (BBB). The recruitment of monocytes, macrophages and dendritic cells, the so-called myeloid antigen-presenting cells (APCs), in the CNS through the BBB is thought to play a crucial role in the initiation and the persistence of the disease. Therefore the identification of the molecular mechanisms involved in the migration of myeloid APCs into the CNS is considered a valid therapeutic option in MS. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1, a novel adhesion molecule that mediates homophilic binding, was found to be expressed in the vascular endothelium of the BBB following a proteomic screen of human BBB-associated proteins. Ninjurin-1’s expression increases during an inflammatory context in primary cultures of endothelial cells of the BBB (BBB-ECs) and on ex vivo and in vitro generated myeloid APCs. In addition, infiltrating APCs in human MS lesions and in the CNS of the murine model of MS, the mice affected with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), express high levels of Ninjurin-1. Using an experimental model of the BBB, the neutralization of Ninjurin-1 specifically restricts the migration of monocytes across the BBB-ECs without affecting the recruitment of lymphocytes or the permeability of the BBB-ECs. Finally, EAE mice treated with a Ninjurin-1 blocking peptide have reduced disease severity and a reduced infiltration of myeloid APCs in the CNS, as compared to the control group. Our results show that Ninjurin-1 is an adhesion molecule of the BBB involved in the recruitment of myeloid APCs to the CNS and is also a potential therapeutic target to dampen CNS inflammatory processes, as occurs in MS.

La sclérose en plaques (SEP) est caractérisée par des infiltrations périvasculaires de cellules immunitaires et par de la démyélinisation au sein du système nerveux central (SNC). Ces deux paramètres de la maladie sont associés à la fragilisation de la barrière hémato-encéphalique (BHE). En ce sens, le recrutement des cellules présentatrices d’antigène (CPA) myéloïdes, telles que les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques, dans le SNC à travers la BHE, est une étape cruciale dans l’initiation et la persistance de l’inflammation cérébrale. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1 est une nouvelle molécule d’adhérence qui médie une interaction de type homophilique et dont l’expression sur l’endothélium vasculaire de la BHE humaine fut identifiée grâce à une analyse protéomique des protéines associées à la BHE. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que l’expression de Ninjurin-1 augmente dans un contexte inflammatoire dans les cultures primaires de cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et sur les CPA myéloïdes humaines ex vivo et générées in vitro. De plus, les CPA infiltrantes retrouvées dans les lésions cérébrales de patients atteints de SEP et dans le SNC des souris atteintes d’encéphalomyélite autoimmune expérimentale (EAE), le modèle murin de la SEP, expriment de hauts niveaux de Ninjurin-1. À l’aide du modèle in vitro de la BHE, la neutralisation de Ninjurin-1 restreint spécifiquement la migration des monocytes à travers les CE-BHE sans affecter le recrutement des lymphocytes, ni la perméabilité des CE-BHE. Enfin, les souris atteintes d’EAE et traitées avec un peptide bloquant dirigé contre Ninjurin-1 présentent une maladie moins sévère ainsi qu’une diminution des CPA infiltrant le SNC et ce comparé au groupe contrôle. Ces résultats suggèrent que Ninjurin-1 est une molécule d’adhérence de la BHE impliquée dans le recrutement de CPA myéloïdes au sein du SNC et qu’elle peut être considérée comme une cible thérapeutique potentielle en SEP. / Multiple Sclerosis (MS) is characterized by perivascular infiltrations of immune cells and by demyelination in the central nervous system (CNS). These two hallmarks of the disease are associated with the disruption of the blood-brain barrier (BBB). The recruitment of monocytes, macrophages and dendritic cells, the so-called myeloid antigen-presenting cells (APCs), in the CNS through the BBB is thought to play a crucial role in the initiation and the persistence of the disease. Therefore the identification of the molecular mechanisms involved in the migration of myeloid APCs into the CNS is considered a valid therapeutic option in MS. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1, a novel adhesion molecule that mediates homophilic binding, was found to be expressed in the vascular endothelium of the BBB following a proteomic screen of human BBB-associated proteins. Ninjurin-1’s expression increases during an inflammatory context in primary cultures of endothelial cells of the BBB (BBB-ECs) and on ex vivo and in vitro generated myeloid APCs. In addition, infiltrating APCs in human MS lesions and in the CNS of the murine model of MS, the mice affected with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), express high levels of Ninjurin-1. Using an experimental model of the BBB, the neutralization of Ninjurin-1 specifically restricts the migration of monocytes across the BBB-ECs without affecting the recruitment of lymphocytes or the permeability of the BBB-ECs. Finally, EAE mice treated with a Ninjurin-1 blocking peptide have reduced disease severity and a reduced infiltration of myeloid APCs in the CNS, as compared to the control group. Our results show that Ninjurin-1 is an adhesion molecule of the BBB involved in the recruitment of myeloid APCs to the CNS and is also a potential therapeutic target to dampen CNS inflammatory processes, as occurs in MS.

La perturbation de la barrière hémo-encéphalique et la migration des lymphocytes de la périphérie vers le système nerveux central (SNC) sont des événements précoces dans la formation des lésions cérébrales de sclérose en plaques (SEP). Dans ce contexte, les lymphocytes passent au travers des barrières hémo-encéphalique ou hémo-méningée pour atteindre le SNC et sont des contributeurs importants dans l’inflammation et les dommages tissulaires. Pour migrer à travers les barrières du SNC, les lymphocytes pathogéniques expriment des molécules d’adhérence. Identifier les acteurs clés à la migration des lymphocytes pathogéniques en estimant la contribution des molécules d’adhérence dans ce processus est la prochaine étape pour le développement de thérapies pour traiter la SEP. L’objectif de ce projet est d’explorer le rôle de deux molécules d’adhérence que sont ALCAM (de l’anglais : activated leukocytes cell adhesion molecule) et DICAM (de l’anglais : dual immunoglobulin domain containing cell adhesion molecule) dans la migration des lymphocytes pathogéniques vers le SNC pendant la SEP. Notre objectif principal se subdivise en deux sous-objectifs. En premier, notre but est de caractériser le rôle d’ALCAM dans le passage des lymphocytes B à travers les barrières du SNC dans un contexte neuroinflammatoire. En second, nous explorons le rôle de DICAM dans la migration des lymphocytes T auxiliaires 17 (TH17) vers le SNC en neuroinflammation. Nous faisons l’hypothèse qu’ALCAM contribue à la migration des lymphocytes B vers le SNC et que DICAM est impliqué dans la migration des lymphocytes TH17 à travers la barrière hémo-encéphalique pendant la SEP. Ces molécules d’adhérence seraient alors impliquées dans la pathogenèse de la SEP et seraient de potentielles cibles thérapeutiques pour traiter cette maladie. Nous avons d’abord utilisé une combinaison de spectrométrie de masse, PCR quantitative, cytométrie de flux et microscopie afin d’explorer l’expression de chacune de ses deux molécules d’adhérence sur les lymphocytes d’intérêt périphériques ex vivo ou différenciés in vitro. Des analyses en cytométrie en flux et microscopie nous ont permis de caractériser leur expression dans le sang périphérique et dans les lésions cérébrales de personnes atteintes de SEP. Ensuite, les expériences d’adhérence en flux et de migration in vitro effectuées en déplétant la molécule d’adhérence d’intérêt ont permis de mettre en évidence leur rôle dans différentes étapes de la migration des lymphocytes à travers les cellules endothéliales des barrières du SNC. Pour finir, le traitement de plusieurs modèles murins de SEP, appelés EAE (de l’anglais : experimental autoimmune encephalomyelitis), avec des anticorps bloquant anti-ALCAM ou anti-DICAM ont permis d’explorer le potentiel effet de tels traitements sur la sévérité de la maladie. Dans la première étude, nos résultats montrent qu’ALCAM est préférentiellement exprimée par les lymphocytes B pro-inflammatoires, mémoires et effecteurs au potentiel pathogénique. En tant que molécule d’adhérence, ALCAM contribue à leur migration à travers les cellules endothéliales des barrières hémo-encéphalique et hémo-méningée chez la souris et l’humain. De plus, nos expériences ont permis de montrer que la fréquence de lymphocytes B ALCAM+ est augmentée dans le sang périphérique des personnes atteintes de SEP et ces cellules sont aussi présentes dans les lésions et les infiltrats méningées en SEP. Finalement, bloquer ALCAM in vivo réduit la sévérité de la maladie EAE en diminuant l’infiltration des lymphocytes B au SNC. Dans la seconde étude, nous avons montré que parmi les sous-types de lymphocytes TH, DICAM est préférentiellement exprimée par les lymphocytes TH17. Dans les lésions de SEP, DICAM et son ligand αVβ3 co-localisent avec des marqueurs de cellules endothéliales suggérant que ces deux molécules pourraient être présentées à la lumière des vaisseaux aux lymphocytes TH17 circulants. Dans le sang périphérique, la fréquence de lymphocytes T CD4+ exprimant DICAM est augmentée chez les personnes atteintes de SEP et cette augmentation corrèle avec l’activité de la maladie. Nos expériences ont montré que DICAM est impliquée dans l’adhérence, l’arrêt et la diapédèse des lymphocytes TH17 à travers les cellules endothéliales de la barrière hémo-encéphalique in vitro et in vivo. Finalement, le traitement de souris EAE avec un anticorps bloquant DICAM permet de réduire la sévérité de la maladie et diminue la migration des lymphocytes TH17 vers le SNC. Nos résultats indiquent un rôle d’ALCAM dans la migration des lymphocytes B et que DICAM, préférentiellement exprimé par les TH17, médie leur migration vers le SNC. Bloquer ALCAM ou DICAM sont deux stratégies permettant de réduire l’accès au SNC de différents sous-types de cellules pathogéniques pendant la neuroinflammation. Ainsi, elles sont toutes deux de potentielles cibles thérapeutiques pour réduire la sévérité et la progression de la SEP. / Disruption of the blood-brain barrier and migration of lymphocytes from the periphery to the central nervous system (CNS) are early events in lesion formation during multiple sclerosis (MS). Lymphocytes readily cross the blood-brain barrier (BBB) and the blood-meningeal barrier (BMB) to infiltrate the CNS and are important contributors to inflammation and tissue damage. To migrate through the brain barriers, pathogenic lymphocytes express adhesion molecules. Identifying key players in lymphocyte migration by understanding the role of adhesion molecules is the next step to develop novel therapies to treat MS. The objective of this project is to explore the role of two distinct adhesion molecules ALCAM (activated leukocytes cell adhesion molecule) and DICAM (dual immunoglobulin domain containing cell adhesion molecule) in pathogenic lymphocytes migration to the CNS during MS. This thesis subdivides in two main objectives. First, we aim to characterize ALCAM role in B lymphocyte migration to the CNS during neuroinflammation. Second, we aim to explore DICAM role in T helper 17 (TH17) lymphocytes migration to the CNS in neuroinflammation. We hypothesized that ALCAM plays a role in B lymphocytes migration to the CNS during MS and that DICAM is involved in TH17 lymphocytes migration through the blood-brain barrier during MS. Those adhesion molecules might be involved in MS pathogenesis and therefore could become new therapeutic targets to treat MS. We first used mass spectrometry, quantitative PCR, flow cytometry and confocal microscopy to explore expression profiles of ALCAM and DICAM by peripheral lymphocytes subpopulations ex vivo and differentiated in vitro. Flow cytometry and confocal microscopy analysis also revealed how those adhesion molecules are expressed by lymphocytes in peripheral blood and brain lesions of people living with MS. Then, we performed flow adhesion and migration assay of lymphocytes depleted for the adhesion molecule of interest allowing us to address their role in multitstep migration process through brain barriers endothelial cells. Finally, using five distinct murine experimental autoimmune encephalomyelitis models (EAE), we explored how blocking ALCAM or DICAM in vivo could affect lymphocytes migration to the SNC and disease severity. In the first manuscript, we described that ALCAM is preferentially expressed by B lymphocytes with memory, pro-inflammatory and effector phenotypes. Functionally, ALCAM is involved in B lymphocyte migration through both the BBB and the BMB in mouse and human. Interestingly, we showed that ALCAM expressing B lymphocytes are increased in peripheral blood of people living with MS and they are recovered in meningeal and parenchymal MS lesions. Last, blocking ALCAM in vivo alleviates EAE severity by reducing B lymphocyte infiltration to the CNS. In the second manuscript, we showed that TH17 lymphocytes preferentially express DICAM and can adhere both to DICAM and its ligand αVβ3. Moreover, DICAM and αVβ3 are both overexpressed by inflamed brain endothelial cells. In MS lesions, we described that both molecules colocalize with endothelial cell markers suggesting that it could be presented to the vessel lumen to the circulating TH17 lymphocytes. In peripheral blood, we showed that DICAM+ memory CD4+ T lymphocytes frequency is increased in people living with MS and it correlates with active form of the disease. Then, we described DICAM as a player in TH17 lymphocyte adhesion, arrest and migration through BBB endothelial cells in vitro and in vivo. Last, we showed that treating mice with a neutralizing DICAM antibody in several distinct models of EAE, reduced disease severity and TH17 cell migration to the SNC. Our data provide evidence of the role of ALCAM in memory B lymphocyte migration and that DICAM is preferentially expressed by TH17 cells and mediate their migration to the CNS during neuroinflammation. Collectively, our findings indicate that blocking ALCAM or DICAM are two ways to restrict different pathogenic cells access to the CNS during neuroinflammation and thus potentially to reduce the severity and worsening of a disease like MS.