Le tabagisme demeure le principal contributeur au développement de plusieurs maladies, tel que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). La MPOC est caractérisée par un déclin des fonctions pulmonaires progressif et peu réversible associé à une inflammation chronique, surtout neutrophilique. Alors que les neutrophiles sont cruciaux pour la défense de l'hôte, le dogme général stipule que l'inflammation pulmonaire induite par l'exposition à la fumée de cigarette est responsable de la destruction pulmonaire. Toutefois, cette thèse propose que les neutrophiles et les processus de l'immunité innée sont plutôt bénéfiques dans le maintien de l'homéostasie pulmonaire en contexte tabagique. Premièrement, nous avons évalué le rôle des neutrophiles dans la régulation de l'inflammation et l'homéostasie du surfactant chez des souris exposées à la fumée de cigarette. Puisque le tabagisme endommage le surfactant pulmonaire, nous avons investigué l'internalisation du surfactant par les neutrophiles. En incubant les cellules du lavage bronchoalvéolaire (LBA) avec du surfactant fluorescent ou en administrant du surfactant marqué par voie intranasale chez des souris exposées à la fumée de cigarette, nous avons observé que les neutrophiles internalisent le surfactant in vitro et in vivo. Afin d'explorer l'impact de l'absence des neutrophiles sur la réponse inflammatoire et sur l'homéostasie du surfactant en contexte tabagique, nous avons administré un anticorps qui déplète les neutrophiles (anti-Gr-1 ou anti-Ly6G) chez les souris. Nous avons constaté que les souris déplétées de leurs neutrophiles pendant l'exposition ont des niveaux plus élevés de cytokines inflammatoires et de protéines de surfactant dans le LBA. De plus, leurs macrophages alvéolaires expriment davantage d'ARNm de Mmp12 qui code pour une métalloprotéinase liée à l'emphysème. Nos résultats démontrent que les neutrophiles participent à la clairance du surfactant et semblent jouer un rôle important dans la régulation de la réponse inflammatoire en contexte tabagique. Notre deuxième objectif visait à investiguer l'impact du statut tabagique sur l'efficacité d'un traitement biologique et l'adaptation pulmonaire à la fumée de cigarette. Alors que l'impact du statut tabagique n'est pas toujours considéré dans les études cliniques en MPOC, quelques études ont observé que l'efficacité des traitements biologiques diffère entre les fumeurs actifs et les ex-fumeurs. En utilisant un modèle d'exposition à la fumée de cigarette répétée, nous avons démontré qu'il existe une adaptation pulmonaire à la fumée de cigarette, menant à une diminution de la neutrophilie et des niveaux de cytokines dans le LBA. Toutefois, l'administration d'un anticorps neutralisant l'IL-1α pendant l'exposition interfère avec cette adaptation et décale la réponse inflammatoire suite à une cessation tabagique (recrudescence de la neutrophilie, augmentation des niveaux de cytokines et augmentation de l'expression de Mmp12). À l'inverse, l'administration du même traitement pendant la cessation tabagique améliore ces paramètres. En tout, ces données indiquent que l'inhibition des voies centrales à la réponse inflammatoire, tel qu'avec l'anti-IL-1α, pendant l'exposition interfère avec l'adaptation alors que le traitement pendant la cessation tabagique encourage la résolution et le retour à l'homéostasie. Finalement, nous voulions atténuer l'inflammation pulmonaire sans interférer avec la défense de l'hôte via l'administration d'un peptide antimicrobien en contexte tabagique. Puisque l'inhibition de la réponse inflammatoire peut augmenter la susceptibilité aux infections chez les patients MPOC, nous avons testé l'efficacité du peptide antimicrobien human β-defensin 2 (hBD-2) à moduler la réponse inflammatoire sans interférer avec la clairance bactérienne en contexte tabagique. Chez les souris exposées à la fumée de cigarette, l'administration de l'hBD-2 a diminué la neutrophilie et la signalisation pro-inflammatoire pulmonaire (analyse biopuce). De plus, dans un modèle d'exacerbation où des souris exposées à la fumée de cigarette ont été infectées avec une bactérie, on note une charge bactérienne moins élevée chez les souris traitées avec l'hBD-2 alors que l'infiltration des neutrophiles est aussi diminuée. Ces données suggèrent que l'hBD-2 pourrait être étudié chez les fumeurs et les patients MPOC puisqu'elle module la neutrophilie tout en supportant la défense de l'hôte. En conclusion, les résultats présentés suggèrent fortement que les neutrophiles et l'immunité innée jouent un rôle complexe, mais crucial, dans le maintien de l'homéostasie pulmonaire en contexte tabagique. Ainsi, dans le développement de thérapie pour la MPOC qui vise la neutrophilie, il faut prendre en considération l'importance des fonctions homéostatiques de l'immunité innée afin de préserver les processus de la défense de l'hôte. / Cigarette smoking remains the major contributor to pulmonary and systemic disease burden worldwide. In particular, chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is strongly linked to tobacco smoking and is marked by largely irreversible lung tissue damage and neutrophilic pulmonary inflammation. The general dogma in the field is that inflammatory mediators, reactive oxygen species and proteases secreted by neutrophils during chronic inflammation are at the root of cigarette smoke-induced lung pathology. This thesis argues that neutrophils and the innate immune response play a beneficial role in the maintenance of pulmonary homeostasis during cigarette smoke exposure. Firstly, we sought to evaluate the contribution of neutrophils to pulmonary surfactant and inflammatory homeostasis during cigarette smoke exposure. As phagocytes, we wanted to assess the ability of neutrophils to clear surfactant damaged during cigarette smoke exposure. We treated immune cells from the bronchoalveolar lavage (BAL) fluorescently labeled surfactant or intranasally administered the labeled surfactant in mice and found that neutrophils actively internalize labeled surfactant both in vitro and in vivo in cigarette smoke-exposed mice. Next, we explored the effects of neutrophil depletion on an acute 4-day cigarette smoke exposure model via neutrophil-depleting antibody administration (anti-Ly6G or anti-Gr-1). Neutrophil depletion during cigarette smoking led to dramatically increased pro-inflammatory cytokine and surfactant protein levels in the BAL fluid (BALF). Furthermore, alveolar macrophages expressed elevated levels of Mmp12 mRNA, encoding for a metalloproteinase tightly linked to emphysema. Taken together, these data indicate that neutrophils actively internalize surfactant and seem to play a beneficial role in limiting/resolving the inflammatory response to cigarette smoke exposure. Our second objective was to investigate the impact of treatment timing and smoking status on treatment efficacy in the context of cigarette smoke exposure. Though clinical trials of COPD patients often fail to take smoking status into consideration, some studies have found that the efficacy of biologic treatments and cytokine inhibitors differs greatly based on patient smoking status, favouring either active smokers or ex-smokers. Firstly, we found that repeated exposure to cigarette smoke, where mice were exposed for 2 weeks followed by a 1-week smoking cessation period and then acutely re-exposed for 2 days, led to reduced BAL neutrophilia and cytokine levels compared to mice exposed only for 2 days. Interestingly, we found that administration of anti-IL-1α antibody during cigarette smoke exposure led to delayed inflammation (rebound neutrophilia and increased cytokine levels) as well as elevated Mmp12 expression, while treatment with the same antibody during the smoking cessation period improved these outcomes. These data suggest that neutrophilic inflammation is uncoupled from destructive processes in the lungs and that disruption of the innate immune response via anti-IL-1α during cigarette smoking interferes with pulmonary adaptation; conversely, treatment during smoking cessation effectively hastened inflammatory resolution. Thirdly, we sought to mitigate pulmonary inflammation while supporting host defense during cigarette smoking via treatment with an antimicrobial peptide. Since treatments that mitigate inflammation without interfering with normal host defense would be of great value in COPD, we assessed the effect of the antimicrobial peptide human β-defensin 2 (hBD-2) on the pulmonary response to cigarette smoke exposure. We found that in both acute and chronic mouse models, hBD-2 treatment significantly reduced pulmonary neutrophilia and normalized the expression of several pro-inflammatory signaling pathways in the lungs normally upregulated by cigarette smoke exposure, such as leukocyte migration, as assessed via microarray. To confirm that this reduction in neutrophil count was not associated with increased susceptibility to infection, chronically exposed mice treated with hBD-2 were infected with non-typeable Haemophilus influenzae (NTHi). We found that despite a dramatic reduction in neutrophilia, cigarette smoke-exposed mice administered hBD-2 had reduced bacterial load in the lungs compared to vehicle-treated mice, making it an interesting candidate for future clinical research. In all, the work presented herein strongly suggests that neutrophils and innate immune processes play a crucial role in the maintenance of pulmonary homeostasis during cigarette smoke exposure and that destructive processes in the lungs seem to be uncoupled from pulmonary neutrophilia. Therefore, the development of treatments that specifically target neutrophils should consider the importance of innate immune competence in pulmonary homeostasis and host defense.

Le marché de la cigarette électronique est en constante expansion. La majorité des utilisateurs de cigarette électronique sont également des fumeurs de cigarette de tabac. Un nombre croissant de jeunes commencent à utiliser la cigarette électronique, sans avoir fumé la cigarette de tabac au préalable. Outre le propylène glycol et le glycérol, le liquide de la cigarette électronique peut contenir différentes concentrations de nicotine et se décliner dans près de 15 000 mélanges de saveurs. Le glycérol est un substrat métabolique impliqué dans la production de glucose en période de jeûne, et de lipides en période d'excès de glucides. Les impacts de la cigarette électronique sur la santé restent à déterminer. L'hypothèse générale de cette thèse est que l'utilisation de la cigarette électronique perturbe la biologie pulmonaire et métabolique. Le premier objectif de cette thèse était d'évaluer les effets de la variation des paramètres physiques de la cigarette électronique ainsi que la composition du liquide de vapotage sur la taille des particules d'aérosols générée. L'extension e-cigarette InExpose (SCIREQ) a été utilisée. Différentes concentrations de nicotine, saveurs et proportions de propylène glycol et glycérol ont été utilisées. La taille des particules des vapeurs de cigarette électronique a été analysée par un Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer (SMPS 3080, TSI Inc). Nous avons montré qu'une puissance de la cigarette électronique plus élevée augmente la taille des particules émises. Nous avons également montré qu'une plus grande proportion de glycérol, la présence de nicotine et de vanilline augmente la taille des particules. Ces changements modifient la déposition pulmonaire prédite des particules de cigarette électronique. Le deuxième objectif de cette thèse était d'investiguer les effets pulmonaires de la double exposition aux vapeurs de cigarette électronique et à la fumée de cigarette. L'exposition de souris BALB/c femelles à la fumée de cigarette 3R4F a été effectuée dans un système automatisé de type « whole-body » (SIU24, Promech Lab AB). L'exposition aux vapeurs de cigarette électronique a été réalisée dans un système « whole-body » développé dans notre laboratoire, et en utilisant un liquide de vapotage sans saveurs et sans nicotine. Pour les deux types d'expositions, les souris ont été exposées successivement 2h/jour, 5 jours/semaine pendant 8 semaines. Nous avons montré que les souris exposées aux vapeurs de cigarette électronique et à la fumée de cigarette présentent des changements dans l'expression de gènes impliqués dans la régulation du cycle circadien. Nous avons montré une augmentation de la fréquence des cellules dendritiques, macrophages, neutrophiles, lymphocytes B ainsi que lymphocytes T CD4+ et CD8+ au poumon comparativement aux souris exposées seulement à la fumée de cigarette. L'exposition aux vapeurs de cigarette électronique a également modulé les niveaux d'immunoglobulines dans le lavage bronchoalvéolaire et le sérum. Une augmentation de la résistance des voies aériennes a été observée pour les souris exposées aux vapeurs de cigarette électronique, avec ou sans exposition concomitante à la fumée de cigarette. Le troisième objectif de cette thèse était de caractériser les effets de l'inhalation de vapeurs de glycérol sur le métabolisme énergétique hépatique. Les souris ont été exposées aux vapeurs de glycérol en utilisant notre système d'exposition de type « whole-body ». Des souris C57BL/6 mâles et femelles ont été exposées de manière aigüe pour une exposition de 6h. Bien que des changements mineurs ont été observés suivant l'exposition aigüe, l'exposition aux vapeurs de glycérol semble prévenir les effets métaboliques du jeûne. Par la suite, des souris C57BL/6 mâle et femelle, âgées de 6 ou 12 semaines, ont été exposées 2h/jour, 5 jours/semaine pour 9 semaines. Aucun changement dans le poids ou la composition en tissu adipeux n'a été observé. Nous avons montré une diminution de la tolérance au glucose chez jeunes souris mâle et femelle. Nous avons également observé une augmentation de la concentration hépatique de triglycérides et de phosphatidylcholine chez les souris femelles, sans augmentation chez les souris mâles. Aucun changement dans les marqueurs d'inflammation, de remodelage ou de stress du réticulum endoplasmique n'a été observé dans les tissus hépatiques. Les travaux présentés dans cette thèse mettent en lumière les effets de la cigarette électronique sur la santé pulmonaire et métabolique. Davantage d'études sur les effets des composantes de la cigarette électronique sont nécessaires afin de caractériser les mécanismes responsables de ces changements. / The electronic cigarette market is in constant expansion. A majority of electronic cigarette users are also tobacco cigarette smokers though an increasing number of young people are starting to use electronic cigarettes without having to smoke tobacco cigarettes first. In addition to propylene glycol and glycerol, vaping liquids in electronic cigarettes contain different concentrations of nicotine and nearly 15,000 flavours are available. Glycerol is a metabolic substrate involved in the production of glucose during fasting and lipids after feeding. The impacts of electronic cigarettes on health remain to be determined. The general hypothesis of this thesis is that the use of electronic cigarettes disrupts lung and metabolic processes. The first objective of this thesis was to evaluate the effects of the variation in the electronic cigarette model as well as the composition of the vaping liquid on the size of the emitted particles generated. Using the InExpose e-cigarette extension (SCIREQ), different concentrations of nicotine, flavours and proportions of propylene glycol and glycerol were assessed. The particle size of electronic cigarette aerosols was analyzed by a Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer (SMPS 3080, TSI Inc). We have shown that increasing electronic cigarette power increases the size of the particles emitted. We have also shown that a greater proportion of glycerol or the presence of nicotine and vanillin led to increased particle size. These changes alter the predicted pulmonary deposition of e-cigarette particles. The second objective of this thesis was to investigate the pulmonary effects of dual exposure to electronic cigarette aerosols and cigarette smoke. Exposure of female BALB/c mice to 3R4F cigarette smoke was performed in an automated whole-body system (Promech Lab AB SIU24). Exposure to electronic cigarette aerosols was carried out in a whole-body system developed in our laboratory, using a flavourless and nicotine-free vaping liquid. For both types of exposure, mice were exposed successively 2 hours/day, 5 days/week for 8 weeks. We showed that mice exposed to electronic cigarette aerosols and cigarette smoke exhibit changes in the expression of genes involved in the regulation of the circadian rhythm. We found increases in the frequency of dendritic cells, macrophages, neutrophils, B lymphocytes as well as CD4+ and CD8+ T lymphocytes in lung tissue compared to mice exposed only to cigarette smoke. Exposure to electronic cigarette aerosols also modulated immunoglobulin levels in the bronchoalveolar lavage and serum. An increase in airway resistance was observed in mice exposed to electronic cigarette aerosols, with or without concomitant exposure to cigarette smoke. The third objective of this thesis was to characterize the effects of glycerol vaping liquid aerosol inhalation on energy metabolism. Mice were exposed to glycerol aerosols using our whole-body exposure system. Male and female C57BL/6 mice were acutely exposed for 6 hours. Although only minor changes were observed, acute exposure to glycerol aerosols appears to prevent the metabolic effects of fasting. Separately, male and female C57BL/6 mice of 6- or 12-week-old, were exposed for 2 hours/day, 5 days/week for 9 weeks. No change in weight or body fat composition was observed. We showed decrease glucose tolerance of young male and female mice. We also observed an increase in hepatic triglyceride and phosphatidylcholine concentration in female mice, without effect in male mice. No changes in markers of endoplasmic reticulum stress, inflammation, or remodeling were observed in liver tissue. The work presented in this thesis highlights the effects of electronic cigarettes on lung and metabolic health. More studies on the effects of the components of electronic cigarettes are needed to further characterize the mechanisms involved in these changes.

Le tabagisme demeure le principal contributeur au développement de plusieurs maladies, tel que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). La MPOC est caractérisée par un déclin des fonctions pulmonaires progressif et peu réversible associé à une inflammation chronique, surtout neutrophilique. Alors que les neutrophiles sont cruciaux pour la défense de l'hôte, le dogme général stipule que l'inflammation pulmonaire induite par l'exposition à la fumée de cigarette est responsable de la destruction pulmonaire. Toutefois, cette thèse propose que les neutrophiles et les processus de l'immunité innée sont plutôt bénéfiques dans le maintien de l'homéostasie pulmonaire en contexte tabagique. Premièrement, nous avons évalué le rôle des neutrophiles dans la régulation de l'inflammation et l'homéostasie du surfactant chez des souris exposées à la fumée de cigarette. Puisque le tabagisme endommage le surfactant pulmonaire, nous avons investigué l'internalisation du surfactant par les neutrophiles. En incubant les cellules du lavage bronchoalvéolaire (LBA) avec du surfactant fluorescent ou en administrant du surfactant marqué par voie intranasale chez des souris exposées à la fumée de cigarette, nous avons observé que les neutrophiles internalisent le surfactant in vitro et in vivo. Afin d'explorer l'impact de l'absence des neutrophiles sur la réponse inflammatoire et sur l'homéostasie du surfactant en contexte tabagique, nous avons administré un anticorps qui déplète les neutrophiles (anti-Gr-1 ou anti-Ly6G) chez les souris. Nous avons constaté que les souris déplétées de leurs neutrophiles pendant l'exposition ont des niveaux plus élevés de cytokines inflammatoires et de protéines de surfactant dans le LBA. De plus, leurs macrophages alvéolaires expriment davantage d'ARNm de Mmp12 qui code pour une métalloprotéinase liée à l'emphysème. Nos résultats démontrent que les neutrophiles participent à la clairance du surfactant et semblent jouer un rôle important dans la régulation de la réponse inflammatoire en contexte tabagique. Notre deuxième objectif visait à investiguer l'impact du statut tabagique sur l'efficacité d'un traitement biologique et l'adaptation pulmonaire à la fumée de cigarette. Alors que l'impact du statut tabagique n'est pas toujours considéré dans les études cliniques en MPOC, quelques études ont observé que l'efficacité des traitements biologiques diffère entre les fumeurs actifs et les ex-fumeurs. En utilisant un modèle d'exposition à la fumée de cigarette répétée, nous avons démontré qu'il existe une adaptation pulmonaire à la fumée de cigarette, menant à une diminution de la neutrophilie et des niveaux de cytokines dans le LBA. Toutefois, l'administration d'un anticorps neutralisant l'IL-1α pendant l'exposition interfère avec cette adaptation et décale la réponse inflammatoire suite à une cessation tabagique (recrudescence de la neutrophilie, augmentation des niveaux de cytokines et augmentation de l'expression de Mmp12). À l'inverse, l'administration du même traitement pendant la cessation tabagique améliore ces paramètres. En tout, ces données indiquent que l'inhibition des voies centrales à la réponse inflammatoire, tel qu'avec l'anti-IL-1α, pendant l'exposition interfère avec l'adaptation alors que le traitement pendant la cessation tabagique encourage la résolution et le retour à l'homéostasie. Finalement, nous voulions atténuer l'inflammation pulmonaire sans interférer avec la défense de l'hôte via l'administration d'un peptide antimicrobien en contexte tabagique. Puisque l'inhibition de la réponse inflammatoire peut augmenter la susceptibilité aux infections chez les patients MPOC, nous avons testé l'efficacité du peptide antimicrobien human β-defensin 2 (hBD-2) à moduler la réponse inflammatoire sans interférer avec la clairance bactérienne en contexte tabagique. Chez les souris exposées à la fumée de cigarette, l'administration de l'hBD-2 a diminué la neutrophilie et la signalisation pro-inflammatoire pulmonaire (analyse biopuce). De plus, dans un modèle d'exacerbation où des souris exposées à la fumée de cigarette ont été infectées avec une bactérie, on note une charge bactérienne moins élevée chez les souris traitées avec l'hBD-2 alors que l'infiltration des neutrophiles est aussi diminuée. Ces données suggèrent que l'hBD-2 pourrait être étudié chez les fumeurs et les patients MPOC puisqu'elle module la neutrophilie tout en supportant la défense de l'hôte. En conclusion, les résultats présentés suggèrent fortement que les neutrophiles et l'immunité innée jouent un rôle complexe, mais crucial, dans le maintien de l'homéostasie pulmonaire en contexte tabagique. Ainsi, dans le développement de thérapie pour la MPOC qui vise la neutrophilie, il faut prendre en considération l'importance des fonctions homéostatiques de l'immunité innée afin de préserver les processus de la défense de l'hôte. / Cigarette smoking remains the major contributor to pulmonary and systemic disease burden worldwide. In particular, chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is strongly linked to tobacco smoking and is marked by largely irreversible lung tissue damage and neutrophilic pulmonary inflammation. The general dogma in the field is that inflammatory mediators, reactive oxygen species and proteases secreted by neutrophils during chronic inflammation are at the root of cigarette smoke-induced lung pathology. This thesis argues that neutrophils and the innate immune response play a beneficial role in the maintenance of pulmonary homeostasis during cigarette smoke exposure. Firstly, we sought to evaluate the contribution of neutrophils to pulmonary surfactant and inflammatory homeostasis during cigarette smoke exposure. As phagocytes, we wanted to assess the ability of neutrophils to clear surfactant damaged during cigarette smoke exposure. We treated immune cells from the bronchoalveolar lavage (BAL) fluorescently labeled surfactant or intranasally administered the labeled surfactant in mice and found that neutrophils actively internalize labeled surfactant both in vitro and in vivo in cigarette smoke-exposed mice. Next, we explored the effects of neutrophil depletion on an acute 4-day cigarette smoke exposure model via neutrophil-depleting antibody administration (anti-Ly6G or anti-Gr-1). Neutrophil depletion during cigarette smoking led to dramatically increased pro-inflammatory cytokine and surfactant protein levels in the BAL fluid (BALF). Furthermore, alveolar macrophages expressed elevated levels of Mmp12 mRNA, encoding for a metalloproteinase tightly linked to emphysema. Taken together, these data indicate that neutrophils actively internalize surfactant and seem to play a beneficial role in limiting/resolving the inflammatory response to cigarette smoke exposure. Our second objective was to investigate the impact of treatment timing and smoking status on treatment efficacy in the context of cigarette smoke exposure. Though clinical trials of COPD patients often fail to take smoking status into consideration, some studies have found that the efficacy of biologic treatments and cytokine inhibitors differs greatly based on patient smoking status, favouring either active smokers or ex-smokers. Firstly, we found that repeated exposure to cigarette smoke, where mice were exposed for 2 weeks followed by a 1-week smoking cessation period and then acutely re-exposed for 2 days, led to reduced BAL neutrophilia and cytokine levels compared to mice exposed only for 2 days. Interestingly, we found that administration of anti-IL-1α antibody during cigarette smoke exposure led to delayed inflammation (rebound neutrophilia and increased cytokine levels) as well as elevated Mmp12 expression, while treatment with the same antibody during the smoking cessation period improved these outcomes. These data suggest that neutrophilic inflammation is uncoupled from destructive processes in the lungs and that disruption of the innate immune response via anti-IL-1α during cigarette smoking interferes with pulmonary adaptation; conversely, treatment during smoking cessation effectively hastened inflammatory resolution. Thirdly, we sought to mitigate pulmonary inflammation while supporting host defense during cigarette smoking via treatment with an antimicrobial peptide. Since treatments that mitigate inflammation without interfering with normal host defense would be of great value in COPD, we assessed the effect of the antimicrobial peptide human β-defensin 2 (hBD-2) on the pulmonary response to cigarette smoke exposure. We found that in both acute and chronic mouse models, hBD-2 treatment significantly reduced pulmonary neutrophilia and normalized the expression of several pro-inflammatory signaling pathways in the lungs normally upregulated by cigarette smoke exposure, such as leukocyte migration, as assessed via microarray. To confirm that this reduction in neutrophil count was not associated with increased susceptibility to infection, chronically exposed mice treated with hBD-2 were infected with non-typeable Haemophilus influenzae (NTHi). We found that despite a dramatic reduction in neutrophilia, cigarette smoke-exposed mice administered hBD-2 had reduced bacterial load in the lungs compared to vehicle-treated mice, making it an interesting candidate for future clinical research. In all, the work presented herein strongly suggests that neutrophils and innate immune processes play a crucial role in the maintenance of pulmonary homeostasis during cigarette smoke exposure and that destructive processes in the lungs seem to be uncoupled from pulmonary neutrophilia. Therefore, the development of treatments that specifically target neutrophils should consider the importance of innate immune competence in pulmonary homeostasis and host defense.

Le marché de la cigarette électronique est en constante expansion. La majorité des utilisateurs de cigarette électronique sont également des fumeurs de cigarette de tabac. Un nombre croissant de jeunes commencent à utiliser la cigarette électronique, sans avoir fumé la cigarette de tabac au préalable. Outre le propylène glycol et le glycérol, le liquide de la cigarette électronique peut contenir différentes concentrations de nicotine et se décliner dans près de 15 000 mélanges de saveurs. Le glycérol est un substrat métabolique impliqué dans la production de glucose en période de jeûne, et de lipides en période d'excès de glucides. Les impacts de la cigarette électronique sur la santé restent à déterminer. L'hypothèse générale de cette thèse est que l'utilisation de la cigarette électronique perturbe la biologie pulmonaire et métabolique. Le premier objectif de cette thèse était d'évaluer les effets de la variation des paramètres physiques de la cigarette électronique ainsi que la composition du liquide de vapotage sur la taille des particules d'aérosols générée. L'extension e-cigarette InExpose (SCIREQ) a été utilisée. Différentes concentrations de nicotine, saveurs et proportions de propylène glycol et glycérol ont été utilisées. La taille des particules des vapeurs de cigarette électronique a été analysée par un Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer (SMPS 3080, TSI Inc). Nous avons montré qu'une puissance de la cigarette électronique plus élevée augmente la taille des particules émises. Nous avons également montré qu'une plus grande proportion de glycérol, la présence de nicotine et de vanilline augmente la taille des particules. Ces changements modifient la déposition pulmonaire prédite des particules de cigarette électronique. Le deuxième objectif de cette thèse était d'investiguer les effets pulmonaires de la double exposition aux vapeurs de cigarette électronique et à la fumée de cigarette. L'exposition de souris BALB/c femelles à la fumée de cigarette 3R4F a été effectuée dans un système automatisé de type « whole-body » (SIU24, Promech Lab AB). L'exposition aux vapeurs de cigarette électronique a été réalisée dans un système « whole-body » développé dans notre laboratoire, et en utilisant un liquide de vapotage sans saveurs et sans nicotine. Pour les deux types d'expositions, les souris ont été exposées successivement 2h/jour, 5 jours/semaine pendant 8 semaines. Nous avons montré que les souris exposées aux vapeurs de cigarette électronique et à la fumée de cigarette présentent des changements dans l'expression de gènes impliqués dans la régulation du cycle circadien. Nous avons montré une augmentation de la fréquence des cellules dendritiques, macrophages, neutrophiles, lymphocytes B ainsi que lymphocytes T CD4+ et CD8+ au poumon comparativement aux souris exposées seulement à la fumée de cigarette. L'exposition aux vapeurs de cigarette électronique a également modulé les niveaux d'immunoglobulines dans le lavage bronchoalvéolaire et le sérum. Une augmentation de la résistance des voies aériennes a été observée pour les souris exposées aux vapeurs de cigarette électronique, avec ou sans exposition concomitante à la fumée de cigarette. Le troisième objectif de cette thèse était de caractériser les effets de l'inhalation de vapeurs de glycérol sur le métabolisme énergétique hépatique. Les souris ont été exposées aux vapeurs de glycérol en utilisant notre système d'exposition de type « whole-body ». Des souris C57BL/6 mâles et femelles ont été exposées de manière aigüe pour une exposition de 6h. Bien que des changements mineurs ont été observés suivant l'exposition aigüe, l'exposition aux vapeurs de glycérol semble prévenir les effets métaboliques du jeûne. Par la suite, des souris C57BL/6 mâle et femelle, âgées de 6 ou 12 semaines, ont été exposées 2h/jour, 5 jours/semaine pour 9 semaines. Aucun changement dans le poids ou la composition en tissu adipeux n'a été observé. Nous avons montré une diminution de la tolérance au glucose chez jeunes souris mâle et femelle. Nous avons également observé une augmentation de la concentration hépatique de triglycérides et de phosphatidylcholine chez les souris femelles, sans augmentation chez les souris mâles. Aucun changement dans les marqueurs d'inflammation, de remodelage ou de stress du réticulum endoplasmique n'a été observé dans les tissus hépatiques. Les travaux présentés dans cette thèse mettent en lumière les effets de la cigarette électronique sur la santé pulmonaire et métabolique. Davantage d'études sur les effets des composantes de la cigarette électronique sont nécessaires afin de caractériser les mécanismes responsables de ces changements. / The electronic cigarette market is in constant expansion. A majority of electronic cigarette users are also tobacco cigarette smokers though an increasing number of young people are starting to use electronic cigarettes without having to smoke tobacco cigarettes first. In addition to propylene glycol and glycerol, vaping liquids in electronic cigarettes contain different concentrations of nicotine and nearly 15,000 flavours are available. Glycerol is a metabolic substrate involved in the production of glucose during fasting and lipids after feeding. The impacts of electronic cigarettes on health remain to be determined. The general hypothesis of this thesis is that the use of electronic cigarettes disrupts lung and metabolic processes. The first objective of this thesis was to evaluate the effects of the variation in the electronic cigarette model as well as the composition of the vaping liquid on the size of the emitted particles generated. Using the InExpose e-cigarette extension (SCIREQ), different concentrations of nicotine, flavours and proportions of propylene glycol and glycerol were assessed. The particle size of electronic cigarette aerosols was analyzed by a Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer (SMPS 3080, TSI Inc). We have shown that increasing electronic cigarette power increases the size of the particles emitted. We have also shown that a greater proportion of glycerol or the presence of nicotine and vanillin led to increased particle size. These changes alter the predicted pulmonary deposition of e-cigarette particles. The second objective of this thesis was to investigate the pulmonary effects of dual exposure to electronic cigarette aerosols and cigarette smoke. Exposure of female BALB/c mice to 3R4F cigarette smoke was performed in an automated whole-body system (Promech Lab AB SIU24). Exposure to electronic cigarette aerosols was carried out in a whole-body system developed in our laboratory, using a flavourless and nicotine-free vaping liquid. For both types of exposure, mice were exposed successively 2 hours/day, 5 days/week for 8 weeks. We showed that mice exposed to electronic cigarette aerosols and cigarette smoke exhibit changes in the expression of genes involved in the regulation of the circadian rhythm. We found increases in the frequency of dendritic cells, macrophages, neutrophils, B lymphocytes as well as CD4+ and CD8+ T lymphocytes in lung tissue compared to mice exposed only to cigarette smoke. Exposure to electronic cigarette aerosols also modulated immunoglobulin levels in the bronchoalveolar lavage and serum. An increase in airway resistance was observed in mice exposed to electronic cigarette aerosols, with or without concomitant exposure to cigarette smoke. The third objective of this thesis was to characterize the effects of glycerol vaping liquid aerosol inhalation on energy metabolism. Mice were exposed to glycerol aerosols using our whole-body exposure system. Male and female C57BL/6 mice were acutely exposed for 6 hours. Although only minor changes were observed, acute exposure to glycerol aerosols appears to prevent the metabolic effects of fasting. Separately, male and female C57BL/6 mice of 6- or 12-week-old, were exposed for 2 hours/day, 5 days/week for 9 weeks. No change in weight or body fat composition was observed. We showed decrease glucose tolerance of young male and female mice. We also observed an increase in hepatic triglyceride and phosphatidylcholine concentration in female mice, without effect in male mice. No changes in markers of endoplasmic reticulum stress, inflammation, or remodeling were observed in liver tissue. The work presented in this thesis highlights the effects of electronic cigarettes on lung and metabolic health. More studies on the effects of the components of electronic cigarettes are needed to further characterize the mechanisms involved in these changes.

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Introduction. Les effets du tabagisme demeurent problématiques dans notre société. Les mécanismes initiateurs de la réponse immunitaire pulmonaire induits par la fumée de cigarette sont peu caractérisés. Un des phénomènes dominants en contexte tabagique est l’augmentation de la taille des macrophages alvéolaires. Ce changement phénotypique se distingue par une accumulation intracellulaire de lipides suggérant que le transport lipidique pulmonaire des macrophages alvéolaires est modifié en contexte tabagique. Le transport lipidique pulmonaire est composé de plusieurs étapes, dont la capture, le remaniement et l’export de lipides par les macrophages alvéolaires. Les impacts du tabagisme sur le transport lipidique pulmonaire sont actuellement inconnus. Hypothèse. Le tabagisme altère le transport lipidique pulmonaire. Objectifs : Chapitre 1) Investiguer l’impact de l’exposition à la fumée de cigarette sur le transport lipidique pulmonaire dans un modèle murin et chez l’humain ainsi qu’évaluer l’impact d’une thérapie d’augmentation des high-density lipoproteins (HDLs) dans un modèle murin. Chapitre 2) Investiguer les effets d’une thérapie avec un agoniste du récepteur nucléaire liver X receptor (LXR) activant l’export lipidique dans un modèle murin. Chapitre 3) Caractériser les répercussions d’une carence alimentaire sur la santé pulmonaire et sur la réponse pulmonaire en contexte tabagique dans un modèle murin. Méthodes. 1. Le transcriptome pulmonaire de souris exposées à la fumée de cigarette et de sujets non-fumeurs, fumeurs et ex-fumeurs a été étudié. La capacité d’efflux de cholestérol a été mesurée dans le sérum et dans le lavage bronchoalvéolaire (LBA) de souris fumeuses et non fumeuses. Une HDL recombinante, le MDCO-216, a été administrée à des souris fumeuses et non-fumeuses et leurs réponses immunitaires, leurs fonctions pulmonaires et leurs compositions corporelles ont été analysées. 2. Un agoniste du LXR, le T0901317, a été administré à des souris en contexte tabagique. Le transcriptome pulmonaire relié au transport lipidique, la réponse immunitaire pulmonaire et du macrophage alvéolaire ainsi que les impacts sur le surfactant pulmonaire ont été investigués. 3. Des souris fumeuses et non fumeuses ont été nourries avec des diètes déficientes en méthionine (MD), choline (CD) et méthionine et choline (MCD) et leurs fonctions pulmonaires, leurs réponses immunitaires pulmonaires et leurs expressions géniques pulmonaires ont été caractérisées. Résultats. Chapitre 1. L’expression des gènes impliqués dans le transport lipidique pulmonaire murin et humain est modifiée en contexte tabagique. La capacité du sérum et du LBA à promouvoir la sortie de cholestérol est augmentée après une seule exposition à la fumée de cigarette. L’administration du MDCO-216 réduit la réponse inflammatoire pulmonaire et la taille des macrophages alvéolaires dans un modèle d’exposition aiguë à la fumée de cigarette. Le MDCO-216 semble protéger les fonctions pulmonaires et induit une augmentation de la quantité de masse maigre chez les souris fumeuses. Chapitre 2. L’agoniste du LXR augmente l’expression des gènes de transport lipidique pulmonaire, cependant il exacerbe la réponse immunitaire pulmonaire en contexte tabagique. Les macrophages alvéolaires ont aussi un phénotype inflammatoire exacerbé et ont davantage de stress au réticulum endoplasmique lorsqu’ils sont traités en contexte tabagique. L’activation de LXR mène à une réduction des niveaux de surfactant pulmonaire. Chapitre 3. La diète MCD altère les fonctions pulmonaires en induisant un profil restrictif pulmonaire et abolit la réponse immunitaire pulmonaire à la fumée de cigarette. En histologie, ces souris nourries avec la diète MCD n’ont toutefois aucun foyer fibrotique pulmonaire. L’expression génique de plusieurs gènes associés à la matrice extracellulaire et les niveaux de surfactant pulmonaire sont réduits chez les souris nourries avec la diète MCD. Les phénotypes pulmonaires de la diète MCD sont toutefois réversibles après un retour d’une semaine sur la diète contrôle. La diète CD induit un profil pulmonaire de type emphysémateux et la diète MD mène à un profil restrictif. Conclusions. Ces travaux démontrent que le transport lipidique pulmonaire a un rôle majeur en contexte tabagique et qu’il est modulé rapidement. La thérapie d’augmentation des HDLs, avec le MDCO-216, propose une nouvelle voie de traitement envisageable pour les ex-fumeurs. La thérapie ciblant LXR suggère qu’il pourrait y avoir des effets délétères chez les sujets fumeurs actifs. Les carences alimentaires en méthionine et en choline démontrent d’importants changements sur la physiologie pulmonaire. Ce tout nouveau domaine de recherche, le nutri-respiratoire, requiert davantage d’études afin de mieux comprendre l’impact d’une mauvaise nutrition sur la santé pulmonaire. / Introduction. Cigarette smoking remains a major problem in our society.While a lot of cigarette smoke impacts are actually known, few data are available on initiating mechanisms involved in the pulmonary immune response to cigarette smoke. One of the most intriguing phenomena under cigarette smoke exposure conditions is the presence of enlarged alveolar macrophages. This phenotypic change is characterized by an intracellular lipid accumulation which may be a sign of inadequate lipid export by alveolar macrophages induced by cigarette smoking. Pulmonary lipid transport begins with lipid capture, lipid reorganization and lipid droplet formation followed by lipid export by alveolar macrophages. Cigarette smoke impacts on these steps are actually unknown. Hypothesis. Cigarette smoking alters pulmonary lipid transport. Objectives: Chapter 1) To investigate the effect of cigarette smoke exposure on pulmonary lipid transport in cigarette smoke-exposed mice and in healthy controls, smokers and former smokers. To investigate the impact of high-density lipoprotein (HDLs) therapeutic potential in cigarette smoke-exposed mice. Chapter 2) To investigate, in mice, the therapeutic potential of an agonist activating the nuclear receptor liver X receptor (LXR) involved in the transcription of lipid export genes. Chapter 3) To explore, in mice, if a dietary deficiency alters the pulmonary health and the pulmonary response to cigarette smoke. Methods. 1. The pulmonary transcriptome of cigarette smoke-exposed mice and healthy controls, smokers and former smokers was assessed. Cholesterol efflux capacity of serum and bronchoalveolar lavage (BAL) was measured in unexposed and cigarette smoke-exposed mice. MDCO-216, a recombinant HDL, was administered to unexposed and cigarette smoke-exposed mice and analyzed their pulmonary immune response, lung functions and body composition. 2. T0901317, an LXR agonist, was systemically given to mice under cigarette smoke exposure conditions. Pulmonary genes associated with lipid transport, lungs and alveolar macrophage immune pulmonary response to cigarette smoke and the impact of T0901317 on the pulmonary surfactant were assessed. 3. Unexposed and cigarette smoke-exposed mice were fed with methionine deficient (MD), choline deficient (CD) or methionine and choline deficient (MCD) diet. Diets impact on lung functions, pulmonary immune response to cigarette smoke and pulmonary transcriptome were characterized. Results. Chapter 1. Cigarette smoking altered the expression of pulmonary lipid transport genes in mice and in humans. Serum and BALF cholesterol efflux capacities were increased following a twohour cigarette smoke exposure. MDCO-216 dampened the pulmonary inflammatory response and reduced the size of alveolar macrophages in our acute cigarette smoke exposure model. MDCO-216 also seemed to be beneficial to lung functions and induced an increase in lean mass in cigarette smokeexposed treated mice. Chapter 2. T0901317 treatments led to an increase in the expression of pulmonary lipid transport genes. However, it also induced an exacerbated pulmonary immune response during cigarette smoking. Cigarette smoke-exposed treated-alveolar macrophages displayed an exacerbated inflammatory phenotype and showed an augmented endoplasmic reticulum stress. Furthermore, LXR activation led to pulmonary surfactant depletion under cigarette smoke exposure conditions. Chapter 3. The MCD diet altered lung function displaying a restrictive profile and almost abolished the pulmonary immune response to cigarette smoke. Lung histology showed no signs of fibrosis, a phenotype usually associated with restrictive pulmonary functions. MCD diet led to a dramatic change in the pulmonary expression of extracellular matrix genes and also reduced pulmonary surfactant levels. Nevertheless, these pulmonary phenotypes were reversible within a week when mice were refed a control diet. Interestingly, the CD diet induced an emphysema-like profile, while MD diet showed similar pulmonary functions to the MCD diet. Conclusions. The present thesis adds major data to an underestimated field of research and demonstrates the importance of pulmonary lipid transport, especially during cigarette smoking. Recombinant HDL therapy with MDCO-216 may be a new opportunity to overcome adverse effects of cigarette smoking, while activating LXR seems rather deleterious. Nutrient deficiencies, such as methionine and choline led to unprecedented impacts on the pulmonary health and on the pulmonary response to cigarette smoke. This completely new field of research, “nutri-respiratory”, requires additional studies to fully decipher the impact of unhealthy nutrition on the respiratory system.

PROBLÉMATIQUE : Une exposition à la fumée de cigarette de tabac (FC), via un stress oxydatif accru, affecte l’homéostasie lipidique pulmonaire, induisant une réponse inflammatoire ainsi qu’une altération fonctionnelle et structurelle pulmonaire. L’arrêt tabagique demeure l’outil préventif le plus efficace pour pallier ces effets délétères et le développement de maladies telle la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). Récemment, une augmentation d’anticorps pulmonaires contre les lipoprotéines de faible densité oxydées (anti-OxLDL) a été démontrée chez un modèle murin d’exposition à la FC. Des anticorps semblables ont été observés dans l’athérosclérose, qui possèdent des similitudes avec la MPOC associée au tabagisme, et ont servi au développement de stratégies d’immunisation visant la réduction des plaques d’athérome. OBJECTIF : Déterminer l’impact d’un protocole de sensibilisation aux lipides oxydés sur la réponse pulmonaire induite par la FC. MÉTHODES : Un protocole d’immunisation composé d’OxLDL ou de PBS seul (véhicule/contrôle) a été développé puis administré en prophylaxie chez un modèle murin d’exposition à la FC. Les niveaux d’anticorps anti-OxLDL systémiques et pulmonaires, la réponse inflammatoire, les fonctions pulmonaires ainsi que les changements structuraux et transcriptionnels ont été comparés lors de l’administration de l’immunothérapie ou du véhicule. RÉSULTATS : Aucune différence significative au niveau inflammatoire, mais des niveaux d’anticorps anti-OxLDL plus élevés qu’en contexte tabagique seul ont été observé dans les poumons et le sérum des souris immunisées. L’immunothérapie seule affectait les fonctions pulmonaires similairement à la FC, sans induire de changements additifs. Aucun changement histologique ou transcriptionnel n’a été observé entre l’immunisation et le véhicule. CONCLUSION : Bien qu’aucun effet délétère additionnel à la FC n’ait été observé lors de l’administration prophylactique de cette immunothérapie à base d’OxLDL, ces résultats n’apparaissent pas prometteurs quant au développement d’une telle thérapie réduisant les conséquences pulmonaires du tabagisme. De plus amples analyses seront toutefois nécessaires. / BACKGROUND: Cigarette smoke exposure, through increased oxidative stress, affects pulmonary lipid homeostasis, resulting in an inflammatory response as well as functional and structural alterations in the lungs. Smoking cessation remains the most effective prevention tool to counteract these deleterious effects and the development of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Recently, an increase in pulmonary antibodies against oxidized low-density lipoproteins (anti-OxLDL) has been demonstrated in a mouse model of cigarette smoke exposure. Similar antibodies have been observed in atherosclerosis, a condition similar to COPD associated with smoking, and have been used to develop immunization strategies for atheroma plaque reduction. OBJECTIVE: To determine the impact of an oxidized lipids’ sensitization protocol on the pulmonary response induce by cigarette smoke exposure. METHODS: An immunization protocol composed of OxLDL or PBS alone (vehicle/control) was developed and then administered prophylactically in a mouse model of acute or subchronic cigarette smoke exposure. Levels of systemic and pulmonary anti-OxLDL antibodies, inflammatory response, pulmonary functions as well as structural and transcriptional changes were compared (immunotherapy vs vehicle). RESULTS: No significant difference in inflammatory response but higher levels of anti-OxLDL antibodies than in smoking context were observed in the lungs and serum of the immunized mice. Immunotherapy with OxLDL alone affected pulmonary functions similarly to cigarette smoke exposure, but did not induce additive changes. No apparent histological changes or transcriptional changes were observed between immunization and the vehicle. CONCLUSIONS: Although no additional deleterious effects to cigarette smoke exposure have been observed during prophylactic administration of this OxLDL immunotherapy, these results do not seem promising for the development of such a therapy reducing the pulmonary consequences of smoking. However, further experimentations will be necessary.

The presence of cholesterol is critical in defining a dynamic lateral structure in pulmonary <p>surfactant membranes, including the segregation of fluid-ordered and fluid-disordered phases. <p>However, an excess of cholesterol has been associated with impaired surface activity both in <p>surfactant models and in surfactant from injured lungs. It has also been reported that surfactant <p>protein SP-C interacts with cholesterol in lipid/protein interfacial films. In the present study, we <p>have analyzed the effect of SP-C on the thermodynamic properties of phospholipid membranes <p>containing cholesterol and on the ability of lipid/protein complexes containing surfactant <p>proteins and cholesterol to form and re-spread interfacial films capable of producing very low <p>surface tensions upon repetitive compression-expansion cycling. We have also analyzed the effect of cholesterol on the <p>structure, orientation and dynamic properties of SP-C embedded in physiologically relevant <p>model membranes. <p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished