Le remodelage bronchique présent dans l'asthme est considéré comme le résultat d'une réparation inefficace des dommages tissulaires causés par l'inflammation allergique des voies respiratoires. Il est caractérisé par une hyperplasie des cellules caliciformes, une déposition de collagène sous-épithéliale, une hyperplasie du muscle lisse et une néovascularisation. Puisque que le zinc est impliqué dans plusieurs processus physiologiques, incluant la réparation tissulaire, nous avons donc, dans un premier temps, évalué si une privation en zinc amplifie les caractéristiques du remodelage bronchique chez un modèle murin d'inflammation allergique chronique. Dans un deuxième temps, puisque les corticostéroïdes sont un traitement de choix dans l'asthme pour contrer l'inflammation, mais que leurs effets sur le remodelage bronchique ne sont toujours pas bien caractérisés, nous avons évalué l'impact d'un traitement à la dexaméthasone sur le remodelage bronchique d'un modèle murin d'inflammation chronique. Pour le volet zinc, nous avons utilisé un modèle murin dans lequel des souris mâles BALB/C ont été sensibilisées de façon intrapéritonéale et exposées chroniquement à l'ovalbumine nébulisée pendant 7 semaines. Les souris déficientes en zinc ont reçu une diète sans zinc pendant 4 semaines avant le début de l'expérimentation et durant l'exposition à l'allergène. Pour le volet dexaméthasone, le modèle utilisé est le même, mais les souris ont été exposées à l'ovalbumine nébulisée sur une période de 13 semaines. La dexaméthasone a été administrée dès le début de l'exposition pour un groupe et durant les 8 dernières semaines pour un autre groupe. Deux jours après la dernière exposition, un lavage broncho-alvéolaire (évaluation de l'éosinophilie et quantification de l'IL-13) a été réalisé et les souris ont été sacrifiées pour l'évaluation histologique de leurs voies respiratoires (coloration au PAS-bleu alcian et Trichrome de Masson). Nos résultats démontrent qu'une privation en zinc augmente significativement l'éosinophilie, la production d'IL-13, la déposition de collagène sous-épithéliale, l'hyperplasie des cellules caliciformes, la quantité d'hydroxyproline pulmonaire et le TGF[bêta]1 tissulaire, lorsque que comparé avec le groupe de souris ayant reçu une diète normale. L'administration dès le début de la DEXA inhibe significativement la déposition de collagène sous-épithéliale, l'hyperplasie des cellules caliciformes et la production de TGF[bêta]1 et IL-13. Toutefois, un traitement la DEXA initié sur des changements structuraux bien établis, ne réussit pas diminuer la déposition de collagène sous-épithéliale et la production de TGF[bêta]1, malgré une diminution significative de l'hyperplasie des cellules caliciformes et de la production.

La broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) est une maladie respiratoire inflammatoire chronique caractérisée par une limitation progressive et irréversible des débits aériens causée par l’inhalation à long terme de particules nocives telles que le tabac. La BPCO présente un remodelage majeur et hétérogène des voies aériennes comportant une grande variabilité inter-individuelle. La réponse inflammatoire et immunitaire au cours de la BPCO est caractérisée par une infiltration du tissu respiratoire par les polynucléaires neutrophiles (PN), les macrophages et par les cellules T. La dégradation des fibres élastiques du poumon en peptides solubles d’élastine (PE) par le biais de la sécrétion de protéases par les cellules de l’immunité innée est une caractéristique constante de la BPCO. Ces PE participent à la physiopathologie de la BPCO comme cela a été démontré dans différents modèles murins de la maladie emphysémateuse. L’orientation de la réponse des cellules T helper (Th) et des cellules T cytotoxiques (Tc) au cours de la BPCO n’est pas élucidée et reste controversée. L’objectif principal de ce travail de thèse a été de définir l’orientation de la réponse Th et Tc ainsi que le rôle des PE dans le remodelage associé à la BPCO. Pour cela, nous avons étudié la signature cytokinique Th-1/Tc-1 (IFN-), Th-2/Tc-2 (IL-4), Th-17/Tc-17 (IL-17) spécifique du remodelage bronchique associé à la BPCO au niveau cellulaire, mais également transcriptionnel et fonctionnel. L’association entre les résultats expérimentaux obtenus et le phénotype des patients inclus a été analysé de manière à déterminer le rôle de ces mécanismes dans l’expression clinique de cette pathologie respiratoire chronique. Les résultats obtenus ont mis en évidence une diminution de l’expression de l’IL-4 (Th2) chez les patients BPCO par rapport aux sujets contrôles ainsi qu’une potentialisation de l’expression de cette cytokine en présence des PE. / Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a chronic inflammatory respiratory pathology characterized by a progressive and irreversible limitation of airflow caused by the long-term inhalation of harmful particles such as tobacco. COPD presents a major and heterogeneous remodeling of the airways with important inter-individual variability. The inflammatory and immune response during COPD is characterized by infiltration of pulmonary tissue by neutrophils (PN), macrophages, and T cells. The degradation of lung elastic fibers into soluble elastin peptides (EP) is caused by the secretion of proteases by innate immunity cells and it is a consistent feature of COPD. These EP participate in the pathophysiology of COPD as demonstrated in different murine models of the emphysematous disease. The T helper (Th) and the T cytotoxic (Tc) orientation during COPD is unclear andremains controversial. The main objective of this work was to define the Th and Tc responses as well as the role ofEP in airways remodeling associated to COPD. For this purpose, we studied the cytokine signature Th-1/Tc-1 (IFN- ), Th-2/Tc-2 (IL-4), Th-17/Tc-17 (IL-17) specific of the airway remodeling associated to COPD both at the cellular, transcriptional and functional level. Association between the experimental results obtained and the phenotype of the patients included in the study was analyzed in order to determine the role of these mechanisms in the clinical expression of this chronic respiratory pathology. The results obtained showed a decrease in the expression of IL-4 (Th2) in COPD patients compared to control subjects as well as a potentiation of this cytokine expression in the presence of EP.

Lasthme est une pathologie inflammatoire caractérisée par une inflammation, une hyperréactivité et un remodelage bronchique. Des études menées sur des souris déficientes en MMP-8 et en MMP-19 nous ont permis de démontrer que ces deux protéases jouaient un rôle protecteur vis-à-vis du développement de l'inflammation dans la pathologie asthmatique. En effet, suite à la sensibilisation et à l'exposition par inhalation à lallergène (Ovalbumine),les souris déficientes en MMP-8 en MMP-19 développent respectivement une inflammation neutrophilique et éosinophilique significativement plus importante comparativement aux souris wild-type. Dans une seconde partie de ce travail, nous avons évalué les effets de deux inhibiteurs synthétiques des MMPs administrés en inhalation sous une formulation adéquate dans notre modèle murin dasthme. Suite à ladministration de ces deux inhibiteurs, nous avons observé une diminution de linflammation au sein du lavage bronchoalvéolaire. De plus, nous observons une diminution de linfiltration du tissu pulmonaire par les cellules inflammatoires. Lhyperréactivité bronchique observée suite à linhalation de doses croissantes de méthacholine est également significativement diminuée. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus après linhalation de Fluticasone, stéroïde inhalé utilisé très largement en clinique humaine et utilisé dans nos expériences comme médicament de référence. Afin dobserver les modifications morphologiques bronchiques, nous avons mis au point un modèle murin dasthme permettant une exposition de longue durée (90 jours) aux allergènes. En plus de développer une inflammation pulmonaire, les souris traitées vont voir la structure de leurs bronches se modifier. L'inhalation de doxycycline diminue significativement l'inflammation, la réactivité bronchique et diverses caractéristiques du remodelage bronchique telles que l'hyperplasie des cellules à mucus, le dépôt de collagène péribronchique, l'épaisseur de la membrane basale sous-épithéliale et l'épaisseur de la couche de cellules musculaires lisses. Au cours de ces travaux, nous avons caractérisé des modèles murins dasthme. Nous avons démontré que linhibition de certaines MMPs est délétère, nous incitant à les considérer comme des « anti targets ». Nous avons, dans une seconde partie, pu apporter la démonstration que linhibition de certaines MMPs précises (MMP-2, -9 et -14) par des inhibiteurs relativement spécifiques administrés en inhalation améliore le phénotype asthmatique. Par ces travaux, nous avons contribué à la compréhension globale des mécanismes impliquant les MMPs dans la pathologie asthmatique et nous suggérons que de nouvelles voies thérapeutiques, basées sur linhibition de certaines MMPs, pourraient faire lobjet de développements futurs.

Le remodelage bronchique regroupe des entités physiopaphologiques commel’hypertrophie musculaire lisse dans l’asthme ou l’augmentation d’épaisseur bronchique surl’infiltration de cellules inflammatoires et l’accumulation de fibrose dans la BPCO. Cesremodelages sont corrélés à l’obstruction fonctionnelle et donc à la sévèrité de ces maladies.L’analyse de biopsies bronchique ou pulmonaire permet d’étudier ce phénoméne qui, aprèsune meilleure compréhension, est une cible thérapeutique intérressante. Le premier articleest une revue d’indications de bronchoscopie chez les patients de réanimation. La deuxièmeétude a montré une augmentation des fibrocytes sanguins au cours d’exacerbation sévèrede patient BPCO et une corrélation entre leur taux et le risque de décès du patient. La voiede signalisation du CXCR4 semble impliquée dans ce recrutement. La troisième étudecherche à explorer la localisation et les caractéristiques intra-pulmonaires des fibrocyteschez le patient BPCO à l’état stable. La quatrième étude a montré, in vivo, que le gallopamil,un inhibiteur calcique, pouvait diminuer la taille de muscle lisse bronchique de patientasthmatique sévère en ciblant la biogenèse mitochondriale. Ceci pourrait en faire une armethérapeutique interressante et totalement novatrice. La dernière étude a permis d’isoler unphénotype de patient asthmatique non sévère à « muscle lisse bronchique augmenté » quiprésente un risque accru d’exacerbation et de contrôle non optimal de leur asthme. Lesmitochondries semblent jouer un rôle clé comme dans l’asthme sévère. / Airway remodeling groups pathophysiological entities such as smooth musclehypertrophy in asthma or increase bronchial thickness due to infiltration of inflammatory cellsand fibrosis in COPD. These remodeling is correlated with the functional obstruction andtherefore with the severity of these diseases. The bronchial or lung biopsies analysis allowsto study this phenomenon which, after understanding, is an interesting therapeutic target.The first article is a review of indications of bronchoscopy in critically ill patients. The secondstudy showed an increase in blood fibrocytes during severe exacerbation of COPD patientand a correlation between their rate and the risk of patient death. CXCR4 signaling pathwayseems to be involved in the fibrocyte recruitment. The third study seeks to explore thelocation and characteristics of intra-pulmonary fibrocytes in stable COPD patients. The fourthstudy has shown, in vivo, that gallopamil, a calcium channel blocker, could reduce airwaysmooth muscle size in severe asthmatic patient by targeting mitochondrial biogenesis. Thiscould make it an interesting therapeutic weapon and totally innovative. The last study hasisolated a non-severe asthma phenotype with "increased bronchial smooth muscle," whichpresents an increased risk of exacerbation and a suboptimal control of their asthma. Themitochondria appear to play a key role as in severe asthma.

Le remodelage des voies aériennes est un phénomène mal connu, dont le rôle est central dans la sévérité des maladies broncho-pulmonaires obstructives chroniques telles que l’asthme et la broncho-pneumopathie obstructive chronique (BPCO). La recherche est nécessaire pour comprendre les mécanismes et les conséquences fonctionnelles, qui diffèrent dans ces deux maladies. L’imagerie a le potentiel de pouvoir évaluer de façon non-invasive, in vivo, les mécanismes mis en oeuvre dans ces maladies tandis que la recherche de marqueurs pertinents est une nécessité. Dans l’asthme, chez l’animal, nous avons évalué la densité péribronchique dans des modèles murins de sensibilisation allergique. Ce marqueur a été démontré comme étant un reflet du remodelage des voies aériennes et pourrait être utilisé dans des études précliniques. Chez l’homme, nous avons d’abord optimisé les performances d’un logiciel de segmentation 3D des volumes bronchiques, en termes d’automatisation, détection de bronches distales et squelettisation. Ce logiciel a été appliqué lors d’une étude thérapeutique en double aveugle versus placebo pour évaluer l’effet du gallopamil dans l’asthme sévère. Nos résultats montrent que le remodelage musculaire lisse est une composante clé du remodelage dans l’asthme, et que le TDM quantitatif permet d’évaluer les effets de molécules lors d’essais cliniques. Dans la BPCO, nous avons mis en évidence à l’aide de la TDM quantitative que le remodelage bronchique est impliqué dans une complication particulière qui n’est pas mise en oeuvre dans l’asthme, à savoir le développement d’une hypertension artérielle pulmonaire. D’autre part, nous avons montré que la mesure automatique des petits vaisseaux permet une analyse complémentaire et supporte l’hypothèse d’un phénotype distinct de BPCO associé à une maladie vasculaire. Enfin l’IRM pulmonaire reste un challenge pour l’imagerie du fait de la faible teneur en protons et des mouvements cardiaque et respiratoire. Nous avons testé et optimisé une nouvelle séquence permettant d’obtenir des imageries de qualité très proches de celles du TDM. Ces résultats ouvrent des perspectives sur l’imagerie non irradiante des maladies broncho-pulmonaires chroniques par IRM. / Airway remodeling is a critical outcome in broncho-pulmonary obstructive disorders such as asthma, COPD and cystic fibrosis. Research is needed in order to better understand the pathophysiological process underlying these different diseases, as well as their functional significance and consesquences in vivo. Imaging allows non-invasive and quantitative assessment of the remodeling process in vivo. In asthma, we have assessed the value of peribronchial density using microCT in murine models of ovalbumine sensitization. This novel biomarker was shown to relate with remodeling than inflammation of airways and could be used in preclinical studies. In humans, we first optimized an existing chain of post treatment in order to segment in 3 dimensions bronchi volumes in order to improve automation, detection and skeletonization. The software was applied in a prospective randomized double-blinded study in severe asthma, in order to test the effect of a new therapeutic anticalcic agent. Results showed that the software enables a non-invasive assessment of airway smooth muscle remodeling in severe asthma during therapeutic studies. In COPD, we have shown that quantitative CT is able to unravel new complex mechanisms that are involved in COPD but not in asthma, i.e. the development of pulmonary hypertension. CT measurements of small vessels were also shown to add complementary information on COPD phenotypes, supporting the existence of distinct subtypes of COPD related to a vascular rather than a broncho-pulmonary disease. Finally, lung MRI is still a challenging field of investigation, owing to the very low proton density of bronchi, the presence of movement artifact. We have tested and optimized an innovative sequence combined with respiratory synchronization in order to get images in close agreement with CT. Perspectives related to this novel non-invasive, quantitative and radiation-free imaging technique are promising in the evaluation of broncho-pulmonary obstructive diseases.

Le déclin de la fonction respiratoire dans l’asthme est associé à une augmentation de la massedu muscle lisse bronchique. La cellule musculaire lisse (CML) bronchique joue un rôle central dans la physiopathologie de l'asthme. Elle participe à l'inflammation et constitue une composante importante du remodelage des voies aériennes. Récemment, le rôle de la chitinaseYKL-40 comme bio marqueur de ce remodelage dans l'asthme a été évoqué. Dans ce contexte, la question centrale ayant motivé une partie de ce travail de thèse, a été d'étudier les effets d'YKL-40 sur différentes propriétés des CML. Nous nous sommes également intéressés au récepteur activé par les protéases, de type 2 (PAR-2), potentiel récepteur d'YKL-40, mais aussi acteur principal de l’inflammation bronchique.Ce travail a permis d'établir qu'YKL-40 est plus qu'un simple bio marqueur dans l'asthme puisqu’elle altère les propriétés physiologiques de la CML, et semble jouer un rôle dans le remodelage musculaire lisse bronchique. Par ailleurs, ce travail a également permis de mettre en évidence une surexpression du PAR-2 dans les CML d’asthmatiques ainsi qu’une augmentation de son expression et de la prolifération cellulaire, en réponse à une stimulation chronique. Ce travail a enfin permis d’optimiser la technique de l’interférence ARN lentivirale dans les CML bronchiques humaines. / The decline in lung function in asthma is associated with an increased bronchial smooth muscle (BSM) mass. BSM cells play a central role in the pathophysiology of asthma. They are involved in inflammation and are an important component of airway remodelling. Recently, the role of the chitinase YKL-40 as biomarker of this remodelling in asthma has been evoked. In this context, the central question that motivated part of this thesis was to study the effects of YKL-40 on various properties of BSM cells. We also studied the protease activated receptor 2 (PAR-2), as a potential receptor of YKL-40, as well as an important actor of airway inflammation.This work has established that YKL-40 is more than just a biomarker for asthma since YKL-40 alters physiological properties of BSM cells and appears to play a role in BSM remodelling. Moreover, this work has also highlighted an overexpression of PAR-2 in asthmatic BSM cells, as well as an increase of both PAR-2 expression and BSM cell proliferation in response to chronic stimulation. This work has finally allowed us to optimize lentiviral RNA interference in human BSM cells.

L’asthme se caractérise par une hyperréactivité, une inflammation et un remodelage bronchique. Les travaux exposés dans cette thèse ont permis, grâce à une approche transversale et multidisciplinaire basée sur l’étude physiopathologique de l’inflammation et du remodelage bronchique dans l’asthme, (i) de préciser l’intérêt de la mesure du NO exhalé chez l’asthmatique contrôlé, (ii) de déterminer la faisabilité du micro-scanner pour imager in vivo le remodelage bronchique grâce à la mesure non invasive de la densité péri-bronchique normalisée, et (iii) d’analyser le rôle de la chitinase YKL-40 dans la genèse du remodelage musculaire lisse. / Asthma is characterized by bronchial hyperresponsiveness, inflammation and remodelling. We used a translational and multidisciplinary approach to (i) clarify the interest of measuring exhaled NO in controlled asthmatics, (ii) determine the interest of micro-computed tomography for assessing bronchial remodelling in vivo by non-invasive measurement of the normalized peribronchial attenuation, and (iii) analyze the role of chitinase YKL-40 in smooth muscle remodelling.