Proefschrift Universiteit Maastricht. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Alors que le rôle dans la protection contre des pathogènes par le système immunitaire est bien compris, son rôle dans la progression tumoral est bien plus complexe avec certains mécanismes protecteurs tandis que d’autres sont néfastes. Le principal rôle physiologique du cerveau est lui de percevoir et intégrer les stimuli physiques et sociaux, d’intégrer ces signaux et de moduler l’activité des processus physiologiques de l’organisme pour s’adapter à ces conditions. Bien que les systèmes nerveux et immunitaires aient longtemps été considérés comme fonctionnant indépendamment, de multiples études cliniques et précliniques ont formellement démontré que ces deux systèmes pouvaient se réguler réciproquement. Bien que de nombreuses études visent à mieux comprendre les interactions entre les systèmes nerveux et immunitaire, de nombreuses questions restent sans réponses. Alors que les études cliniques ont prouvé un rôle positif dans la progression tumorale du bien-être, les mécanismes moléculaires ne sont pas encore compris. De plus, de nombreuses études ont essayé de trouver si les cytokines pouvaient être utilisées comme biomarqueurs diagnostic ou prédictif de la réponse au traitement dans les maladies psychiatriques, aucune cytokine étudiée à cette date n’a été démontrée comme suffisamment sensible ou spécifique pour être utilisée comme test diagnostique. Au cours de mes travaux de thèses, j’ai travaillé sur deux projets distincts étudiant les relations entre systèmes nerveux et immunitaires. Le but de mon premier projet a été d’identifier des mécanismes par lesquels un environnement enrichi (EE) associé à une meilleure activité sensorielle, cognitive et motrice pouvait impacter la progression métastatique chez la souris. Nous avons découvert que l’EE avait un effet protecteur dans la prise métastatique pulmonaire. Cette protection est associée à une diminution du niveau de corticostérone sérique, une augmentation de l’inflammation pulmonaire après extravasation de cellules tumorales circulantes. Cette protection est abolie en absence de signalisation sur récepteur aux glucocorticoïdes dans les monocytes inflammatoires. Alors que les monocytes inflammatoires sont généralement décrits comme favorisant la progression tumorale, ils peuvent aussi avoir une action antitumorale, suggérant que leur rôle est bien plus complexe qu’actuellement décrit. Nos résultats ont mis en avant un mécanisme antitumoral de reprogrammation dépendant des glucocorticoïdes des monocytes inflammatoires inhibant la progression métastatique. Mon second projet avait pour but d’identifier des biomarqueurs de la réponse aux traitements de patients ayant un premier épisode psychotique (FEP). Nous avons eu la possibilité d’accéder une cohorte de sérums et données cliniques de 325 patients FEP, tous les patients ont été traités avec le même antipsychotique. Nous avons d’abord utilisé une approche de clustering hiérarchique non supervisé pour stratifier les 325 patients dans 4 sous-groupes en utilisant uniquement leur symptomatologie. Un sous-groupe (C1A) après comparaison avec le reste de la cohorte, montre une symptomatologie plus sévère ainsi qu’un taux de réponse le plus faible après 4 semaines de traitement. Le groupe C1A montre aussi une augmentation du niveau de plusieurs biomarqueurs sériques pro-inflammatoire permettant une validation externe de cette stratification. L’utilisation de 6 variables biologiques (IL-15, protéine c-réactive, CXCL-12, niveaux d’IgG anti CMV et anti Toxoplasma gondii) et de 2 variables cliniques (Âge et utilisation de drogues récréationnelle) a permis de prédire la réponse après traitement. La précision de prédiction après validation croisée est très bonne avec une aire sous courbe moyenne de 81.0% (± 0.05). Une confirmation de ces résultats dans d’autres essais cliniques pourrait amener le développement d’une nouvelle approche basée sur le dosage de biomarqueurs sériques dans le choix du traitement chez les patients psychotiques. / While the immune system is well known for its protective role against infectious pathogens, its role in cancer progression is more complex with some immune mechanisms being protective while others are detrimental. The primary physiological role of the brain is to perceive external physical and social conditions, assess their implications for organismal well-being and modulate the activity of internal physiological processes to optimally adapt to those external conditions. Immune and the nervous systems have long been considered to operate independently from each other, many preclinical and clinical studies have clearly demonstrated that these two systems interact and regulate each other. Despite more and more studies aim at investigating the interactions between the nervous and the immune systems, important issues remain to be elucidated. For example, while human studies have demonstrated a positive impact of well-being on cancer progression, the underlying molecular mechanisms have not been elucidated. On another topic, and while many investigators have investigated whether cytokines could be used as diagnosis or prognosis biomarkers is psychiatric diseases, none of the cytokine studied to date have proven to possess the sensitivity and specificity expected for an accepted diagnostic test value. During my PhD, I have worked on two different projects both related to the interactions between the nervous and the immune system. The goal of my first project was to elucidate the mechanisms by which enriched environment conductive to enhanced sensory, cognitive and motor stimulation impact metastatic progression in mice. We have found that mice housed in enriched environment were protected from lung metastasis. Protection was associated with lower serum corticosterone levels, increased lung inflammation following extravasation of circulating tumour cells, and rapid killing of early infiltrating tumour cells. Protection was abolished when inflammatory monocytes were deficient in glucocorticoid receptor signalling. Thus, while inflammatory monocytes have been shown to promote cancer progression, our results disclosed a novel anti-tumour mechanism whereby glucocorticoid receptor-dependent reprogramming of inflammatory monocytes can inhibit cancer metastasis. The goal of my second project was to identify immune-related biomarkers of remission in first-episode psychotic (FEP) patients. To this aim, we have taken advantage of our privileged access to clinical data and serum samples from 325 FEP patients who have all been treated with an atypical antipsychotic. We have first used a hierarchical unsupervised clustering approach to stratify 325 FEP patients into four subtypes based on their clinical symptoms. Compared to the rest of the cohort, one subtype (C1A) exhibited more severe positive and negative symptoms and were the most at risk of being non-remitters following treatment for 4 weeks. C1A patients also exhibited higher levels of several pro-inflammatory biomarkers therefore providing an external validation to our clustering approach. Most importantly, six biological variables (serum levels of IL-15, C reactive protein, CXCL-12, anti- cytomegalovirus and anti-Toxoplasma immunoglobulins) and two clinical variables (age, recreational drug use), predicted early remission following treatment with Amisulpride in C1A patients. Prediction accuracy assessed by cross-validation calculated by 10,000 iterations of 4-fold cross-validation was very good with a mean area under the curve (AUC) of 81.0% ± 0.05. Further validation of our results in future clinical trials would pave the way for the development of a blood-based assisted clinical decision support system for the choice of treatment in psychotic patients.

Le cerveau est la demeure d'une myriade de cellules autre que les neurones, travaillant ensemble pour assurer le développement et le bon fonctionnement du système nerveux central. En revanche, des troubles peuvent survenir de manière sexuellement dimorphique, ce qui signifie que l'inclusion des deux sexes dans l'étude des troubles neurodéveloppementaux est essentielle, car ils présentent généralement des phénotypes différents. Les cellules immunitaires telles que les microglies et les cellules dérivées de la moelle osseuse (BMDC) sont les soldats immunitaires défendant le corps et le cerveau. Les microglies interviennent aussi dans le développement du cerveau au niveau cellulaire et moléculaire. Leurs interactions avec les neurones sont perturbé dans les troubles neurodéveloppementaux. Pour les étudier, une gamme d'outils d'imagerie ont été développés capables de pousser nos connaissances de ces cellules. Ces outils ont montré que ces cellules interagissaient avec plus que seulement les neurones, comme les astrocytes et les cellules endothéliales de la vascularisation du cerveau, et leurs interactions sont dysfonctionnelles dans les troubles tel que la schizophrénie et la dépression. Il est connu que ces troubles peuvent être causés notamment pas des facteurs génétiques et environnementaux comme les infections pendant la grossesse. Des investigations cellules ont surligné les changements se produisant dans ces maladies impliquant les cellules immunitaires. Il est nécessaire de comprendre comment ces cellules interagissaient avec le parenchyme si nous voulons comprendre leur rôle en santé et en maladie. À cette fin, deux modèles ont été utilisés. Le premier est un modèle de double atteinte incluant une déficience du gène du récepteur de la fractalkine, une signalisation cruciale pour la communication microglie neurone. Cette épreuve génétique a été combinée avec une épreuve environnementale simulant une infection virale pendant la grossesse montrant une différence phénotypique entre les mâles et les femelles. Les mâles montrent des signes comportementaux ressemblant à la schizophrénie alors que les femelles montrent un comportement ressemblant à l'anxiété en plus de montrer une déficience dans la signalisation neuronale GABAergique. Les microglies dans la progéniture femelle venant de mères ayant subi l'épreuve double sont morphologiquement hypertrophiques, alors que les microglies de la progéniture mâle ont des processus plus épais et émoussés. Le deuxième modèle utilise un système de traçage des lignées cellulaires afin de suivre les cellules provenant de la moelle osseuse et leur progéniture. Cette méthode constitutive non invasive a été caractérisée. À cette fin, le rôle potentiel des BMDC a été investigué du développement postnatal du cerveau. Nous reportons pour la première fois une infiltration ponctuelle des BMDC pendant les deux premières semaines de la vie. Nous avons identifié une morphologie distincte des microglies en imagerie tout en adoptant des caractéristiques similaires à ceux-ci incluant l'expression de protéine exprimer par la microglie et l'effeuillage synaptique de type VGLUT1. La signalisation VGLUT1 est connue pour évoluer durant le développement du cerveau pour obtenir une signalisation excitatoire appropriée, des altérations ayant été rapportées dans les désordres comme la schizophrénie et l'épilepsie. Ces modèles ont aidés à découvrir des changements chez les microglies et les BMDC. Ces changements découlant de facteurs environnemental et génétique résultent en des altérations des neurones expliquant certains mécanismes des troubles neurodéveloppementaux. Ces découvertes renforcent les évidences de la littérature que le système immunitaire est quelque chose que l'on doit maintenir et préserver afin de prévenir les issues néfastes. / The brain is home to a myriad of cells other than neuron, working together to ensure development and proper functioning. However, issues can arise in a sexual dimorphic way, meaning that including both sexes is crucial + - when investigating neurodevelopmental disorder. Immune cells like microglia (IBA FLT3 ) and bone marrow- + + derived macrophages (IBA FLT3 , BMDC) are immune soldiers defending the brain. However, microglia also intervene in brain development. How they interacted with neurons is essential to this role and this communication is disrupted in neurodevelopmental disorders. To study them, a myriad of imaging tools was developed to advance our knowledge of their role. These tools showed that these cells interact with many cell types, such as astrocytes and the vasculature-related cells, another dynamic process altered in disorders like schizophrenia and depression. It is known that these disorders arise from alterations coming from genetic and environmental factors, such as viral infection. Cellular investigation highlighted the changes happening in these diseases involving immune cells. In addition, it is necessary to understand how immune cells interact with the parenchyma to understand their role in health and disease including schizophrenia and depression. To this end, two models were studied in this work. The first model is a dual challenged model involving a genetic knockout for the fractalkine gene, a crucial pathway for microglia-neuron interaction. This model also included a mimicked viral infection during pregnancy showing different phenotype in male than in the female. Males had schizophrenia- like behavior and female showed anxiety-like behavior and decreased GABAergic signaling. Microglia in the prenatally challenged female KO offspring are shown to be hypertrophic, while microglia from the prenatally challenged male KO offspring are numerous and thick and blunted. The second model is a fate mapping tools able to identify cells coming from the bone marrow and their progeny. This non-invasive constitutive model was + + characterized by its potential as a tool in psychoneuroimmunology. To this end, the potential role of IBA FLT3 + + BMDC in neurodevelopment was investigated. We report for the first time the transient infiltration of IBA FLT3 + - BMDC in the brain during the two first week of life. We identify a distinct morphology from IBA FLT3 microglia in imaging while keeping many microglial features including the expression of protein expressed by microglia and the pruning of VGLUT1 synapses. The VGLUT1 pathways is known to evolve during brain development for proper excitatory signaling in the brain as alterations in the number of VGLUT1 buttons are seen in patients with schizophrenia and epilepsy. Overall, we approach the broad question of how immune cells are implicated in the brain development and its related disorders by using a combine approach using model of disease and models + - + + of health. These models helped us uncover the change in IBA FLT3 microglia and in IBA FLT3 BMDC in health and disease. We can see that they are very plastic, adapting their morphology to the brain environment, environmental factors, and the genetics. These findings reinforce the growing evidence that our immune system is something to be cared for and preserved in order to prevent detrimental outcomes.

IntroductionLa neurostimulation vagale (NSV) à haute fréquence (30 Hz) est utilisée commethérapeutique de certaines formes d'épilepsie et de dépression réfractaires aux traitements chezl'Homme. De plus, la NSV à basse fréquence (5 Hz) a été expérimentée avec succès chez l'animalpour traiter différentes inflammations périphériques, notamment digestives. Des travaux récents ontmis en évidence que cet effet anti-inflammatoire est induit par l'activation des fibres efférentesvagales, libérant en périphérie de l'acétylcholine, inhibant la sécrétion des cytokines proinflammatoires.Cette voie est connue sous le nom de voie anti-inflammatoire cholinergique.Toutefois, le mécanisme d'action de la NSV 5 Hz reste mal connu et d'autres voies pourraient êtremises en jeu impliquant le système nerveux central (SNC) et le système immunitaire périphérique.ButLes travaux réalisés ont eu pour objectif d'étudier l'implication du SNC et du systèmeimmunitaire dans la modulation de l'inflammation induite par la NSV basse fréquence chez unmodèle de rat anesthésié. Tout d'abord, afin d'étudier l'implication du SNC lors de la NSV 5 Hz, uneétude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été réalisée sur le rat "sain"anesthésié. Ensuite, une étude a été effectuée sur l'effet de la NSV sur les cellules immunitairesspléniques ainsi que sur le tube digestif chez un modèle de rat "sain" puis chez un modèle de ratatteint d'une colite expérimentale induite par une injection intra-colique d'acide trinitrobenzènesulfonique (TNBS).RésultatsLes données obtenues lors de l'étude d'IRMf ont mis en évidence un rôle important desfibres afférentes vagales; elles modulent certaines structures du SNC qui pourraient participer à larégulation de l'inflammation digestive induite par la NSV 5 Hz. Les études réalisées sur les souspopulationslymphocytaires spléniques ont révélé que d'autres cellules immunitaires que lesmacrophages étaient impliquées lors de la NSV. Chez le modèle de rat "sain", les résultats decytométrie en flux ont montré que la NSV 3h 5 Hz induisait une diminution de l'activation deslymphocytes T CD4 ainsi que du pourcentage de NKT par rapport aux lymphocytes T. Ces résultatssont en faveur d'un rôle de la NSV 3h inhibant l'activation lymphocytaire et jouant un rôle sur les NKTpossédant des propriétés immunorégulatrices. La NSV 3h n'a pas le même effet chez le modèle de ratprésentant une colite. En effet, le dosage de cytokines sécrétées par les splénocytes en culturemontre que la NSV augmente le potentiel de sécrétion d'IL-10 (cytokine anti-inflammatoire) dessplénocytes et plus particulièrement des lymphocytes T CD4 spléniques. Parallèlement, l'effet antiinflammatoirede la NSV a été mis en évidence au niveau du côlon transverse (au-dessus de la zonelésée) par une diminution des ARNm de SOCS3 et du TNF-α et de la myéloperoxidase. Ces donnéesont démontré un rôle de la NSV sur la fonctionnalité des lymphocytes T CD4 spléniques. La NSV 3h 5Hz orienterait la réponse immunitaire vers une réponse anti-inflammatoire en phase d'initiationd'inflammation digestive. De plus, l'effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé au niveau du tubedigestif au-dessus de la zone lésée (côlon transverse).ConclusionCes données expérimentales montrent que d'autres voies impliquant différents typescellulaires sont susceptibles d'être mises en oeuvre par la NSV basse fréquence. Elle induitl'implication du SNC par l'activation des afférences vagales et des cellules immunitaires spléniquestelles que les lymphocytes T CD4 et les NKT. Un effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé auniveau du côlon transverse, mais pas au niveau des lésions dans le côlon distal. Ces résultatsprésentent des implications thérapeutiques : la NSV basse fréquence est actuellement en essaiclinique pour être utilisée comme traitement dans la maladie de Crohn.

IntroductionLa neurostimulation vagale (NSV) à haute fréquence (30 Hz) est utilisée commethérapeutique de certaines formes d’épilepsie et de dépression réfractaires aux traitements chezl’Homme. De plus, la NSV à basse fréquence (5 Hz) a été expérimentée avec succès chez l’animalpour traiter différentes inflammations périphériques, notamment digestives. Des travaux récents ontmis en évidence que cet effet anti-inflammatoire est induit par l’activation des fibres efférentesvagales, libérant en périphérie de l’acétylcholine, inhibant la sécrétion des cytokines proinflammatoires.Cette voie est connue sous le nom de voie anti-inflammatoire cholinergique.Toutefois, le mécanisme d’action de la NSV 5 Hz reste mal connu et d’autres voies pourraient êtremises en jeu impliquant le système nerveux central (SNC) et le système immunitaire périphérique.ButLes travaux réalisés ont eu pour objectif d’étudier l’implication du SNC et du systèmeimmunitaire dans la modulation de l’inflammation induite par la NSV basse fréquence chez unmodèle de rat anesthésié. Tout d’abord, afin d’étudier l’implication du SNC lors de la NSV 5 Hz, uneétude d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été réalisée sur le rat «sain»anesthésié. Ensuite, une étude a été effectuée sur l’effet de la NSV sur les cellules immunitairesspléniques ainsi que sur le tube digestif chez un modèle de rat «sain» puis chez un modèle de ratatteint d’une colite expérimentale induite par une injection intra-colique d’acide trinitrobenzènesulfonique (TNBS).RésultatsLes données obtenues lors de l’étude d’IRMf ont mis en évidence un rôle important desfibres afférentes vagales; elles modulent certaines structures du SNC qui pourraient participer à larégulation de l’inflammation digestive induite par la NSV 5 Hz. Les études réalisées sur les souspopulationslymphocytaires spléniques ont révélé que d’autres cellules immunitaires que lesmacrophages étaient impliquées lors de la NSV. Chez le modèle de rat «sain», les résultats decytométrie en flux ont montré que la NSV 3h 5 Hz induisait une diminution de l’activation deslymphocytes T CD4 ainsi que du pourcentage de NKT par rapport aux lymphocytes T. Ces résultatssont en faveur d’un rôle de la NSV 3h inhibant l’activation lymphocytaire et jouant un rôle sur les NKTpossédant des propriétés immunorégulatrices. La NSV 3h n’a pas le même effet chez le modèle de ratprésentant une colite. En effet, le dosage de cytokines sécrétées par les splénocytes en culturemontre que la NSV augmente le potentiel de sécrétion d’IL-10 (cytokine anti-inflammatoire) dessplénocytes et plus particulièrement des lymphocytes T CD4 spléniques. Parallèlement, l’effet antiinflammatoirede la NSV a été mis en évidence au niveau du côlon transverse (au-dessus de la zonelésée) par une diminution des ARNm de SOCS3 et du TNF-α et de la myéloperoxidase. Ces donnéesont démontré un rôle de la NSV sur la fonctionnalité des lymphocytes T CD4 spléniques. La NSV 3h 5Hz orienterait la réponse immunitaire vers une réponse anti-inflammatoire en phase d’initiationd’inflammation digestive. De plus, l’effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé au niveau du tubedigestif au-dessus de la zone lésée (côlon transverse).ConclusionCes données expérimentales montrent que d’autres voies impliquant différents typescellulaires sont susceptibles d’être mises en oeuvre par la NSV basse fréquence. Elle induitl’implication du SNC par l’activation des afférences vagales et des cellules immunitaires spléniquestelles que les lymphocytes T CD4 et les NKT. Un effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé auniveau du côlon transverse, mais pas au niveau des lésions dans le côlon distal. Ces résultatsprésentent des implications thérapeutiques : la NSV basse fréquence est actuellement en essaiclinique pour être utilisée comme traitement dans la maladie de Crohn. / Introduction High frequency(30 Hz)vagus nerve stimulation(VNS)has been approved as a treatment for some types of epilepsy and depression in humans. Low-frequency (5 Hz)VNS has also been successful for the treatment of different animal inflammation models, notably digestive inflammation. Recent studies have shown that the anti-inflammatory effect is induced by the activation of the efferent vagal fibers, which secrete acetylcholine in periphery. It links itself to α-7-nicotinic receptors on the macrophages surface, inhibiting the release of pro-inflammatory cytokines. This pathway is known by the name of the cholinergic anti-inflammatory pathway. However, the mechanism of action of low-frequency VNS remains unclear and other pathways could be involved implicating the central nervous system (CNS) and the immune system. Aim The aim of this study was to evaluate the implication of the CNS and the immune system in the modulation of inflammation induced by low-frequency VNS in an anaesthetized rat model. Firstly, to study the implication of the CNS and the contribution of the afferent vagal fibers during 5Hz VNS, a study using functional magnetic resonance imaging (fMRI) on a «healthy» anaesthetized rat model was carried out. Secondly, an experiment on the effect of VNS on splenic immune cells as well as on the digestive tract was fulfilled on a «healthy» rat model followed by a study on a rat model of colitis induced by intracolonic injection of trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS). Results fMRI data brought to light an important role of the afferent vagal fibers. They modulate some structures of the CNS which could contribute to the modulation of digestive inflammation by 5Hz VNS. The studies carried out by FACS on the sub-populations of splenic lymphocytes revealed that other immune cells than macrophages could be implicated by VNS. In the «healthy» rat model, with no digestive inflammation, FACS data show that 3h VNS decreases T CD4 lymphocytes activation and the percentage of NKT in relation to T lymphocytes. These data are in favor of an inhibiting role of VNS on lymphocytes activation and also has an impact on NKT cells which have immunoregulatory properties. 3h VNS does not have the same effect on the rat model of colitis. In fact, the quantification of secreted cytokines by cultured splenocytes show that VNS increases the potential of IL-10(anti-iflammatory)cytokine by splenocytes and particularly splenic T CD4 lymphocytes. In the same way, the anti-inflammatory effect of VNS is seen in the transverse colon (above the lesions): decrease of TNF-α and SOCS3 mRNA and of myeloperoxidase. These results show a role of VNS on the functionality of splenic T CD4 lymphocytes inducing an important secretion of IL-10. 3h low-frequency VNS turns the immune response towards an anti-inflammatory response during the early phase of digestive inflammation. Moreover, VNS anti-inflammatory effect is seen in the transverse colon, above the lesions. Conclusion These results reveal that other pathways implicating different cell types are potentially involved besides the classic cholinergic anti-inflammatory pathway by low-frequency VNS. It implicates CNS by the activation of vagal afferents and splenic immune cells such as T CD4 lymphocytes and NKT cells. An anti-inflammatory effect of VNS is found in the transverse colon (above the lesions) even during the initiation phase of digestive inflammation, but not in the distal colon (in the lesions). These date have therapeutic implications: low-frequency VNS is being clinically tested at the moment as a treatment for Crohn's disease.