Une transduction efficace des cellules souches hematopoïetiques est un préalable pour la thérapie génique des maladies génétiques comme la β‐thalassemie, l’Adrenoleucodystrophie et le Déficit Immunitaire Combiné Sévère. La petite molécule UM171 à été décrite comme étant une molécule capable de stimuler l’expansion in vitro des cellules souches hématopoïétiques humaines, permettant ainsi une plus large application des thérapies basées sur les cellules souches. Nous avons aussi conduit des études supplémetaires pour confirmer la capacité de UM171 à expandre les souches hématopoïétiques. Durant ce travail, nous avons découvert que UM171 pouvait aussi augmenter de maniére significative, l’efficience de la transduction lentivirale des cellules hématopoïetiques primitives dérivées de sang de cordon. En plus, nous avons montré que UM171 augmentait la transduction des cellules hématopoïeques ayant les phénotypes les plus immatures. Des études plus approfondies ont aussi révélé que UM171 pouvait aussi augmenter la transduction des cellules souches hématopoïétiques avec des lentivirus ayant diffèrent pseudotypes. Au total ces découvertes ont pour conséquence, une nette amélioration des protocoles d’expansion et de transduction des cellules souches hématopoïétiques à travers un meilleur rendement en cellules souches et des taux élevés de transfert de gène en utilisant des quantités réduites de particules virales / Efficient lentiviral gene transfer to hematopoietic stem cells is a prerequisite for theultimate goal of gene therapy for a range of major genetic diseases such as β‐thalassemia, Adrenoleucodystrophy and severe combined immnodeficiency. The small molecule UM171 was recently described as having potent ability to stimulate ex vivo expansion of human hematopoietic stem cells, another key to safer and wider application of stem cell mediated therapies. Here we have conducted additional studies to confirm the stem cell expansion properties of UM171 and in the course of this work discovered that it also has the ability to significantly enhance the efficiency of the lentiviral transduction of primitive hematopietic cells in human cord blood. Subsequent work confirmed that this enhancing effect extends importantly to the most primitive hematopoietic subset as assessed phenotypically and by functional readout in immunodeficient mouse xenografts. Further detailed characterization ofthis phenomenom revealed that UM171’s effects are manifest rapidly and extend to a range of lentiviral pseudotypes. Together these findingsprovide an avenue for improved protocols for hematopoietic stem cell transduction that achieve higher gene efficiency and stem cell recovery coupled with the potential for reduced viral titer requirements.

En raison de leur multipotence considérable, les cellules stromales mésenchymateuses (CSM) ont été énormément utilisées en clinique dans le contexte de la médecine régénérative. Pourtant, la stimulation des CSM avec de faibles concentrations d'interféron-gamma (IFN-gamma) déclenche une augmentation du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I et II, et surtout une capacité de novo de présentation croisée des antigènes. Ainsi, malgré leurs propriétés immunosuppressives naturelles, les CSM peuvent être modulées pour devenir pro-inflammatoires. Comme le dérivé pyrimidoindole UM171 induit l’augmentation de l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la présentation antigénique dans les cellules souches hématopoïétiques humaines, nous avons étudié son potentiel pour le déclenchement de la présentation antigénique par les CSM. L'analyse par cytométrie en flux a montré une élévation des niveaux de H2-kB après le traitement avec le médicament, en corrélation avec une augmentation de la présentation de l'antigène, démontrée par une activation plus importante de la lignée de cellules T B3Z spécifique au peptide SIINFEKL. Cette présentation croisée de novo d'un peptide immunogène ne résulte pas d'une augmentation de l'absorption ou de la digestion enzymatiques des protéines, mais plutôt de l'expression du gène Psmb8 induit par le médicament. Comme le traitement avec plusieurs antioxydants et inhibiteurs des complexes de la chaîne de transport des électrons a réduit de manière significative les effets observés, nous concluons que la présentation croisée médiée par UM171 est dépendante des ROS. Dans le contexte de la vaccination thérapeutique, l'immunisation avec des CSM traitées par UM171 chez des souris présentant des tumeurs EG.7 préétablies a permis d'obtenir un taux de survie de 40%. Dans l'ensemble, notre étude révèle une nouvelle approche pharmacologique pour modifier les CSM afin qu'elles deviennent des cellules présentatrices d'antigènes, ce qui permet de développer de nouveaux vaccins anticancéreux innovants et puissants. / Due to their considerable multipotency, mesenchymal stromal cells (MSCs) have been tremendously employed in the clinic for regenerative medicine. Yet, stimulation of MSCs with low concentrations of interferon-gamma (IFN-gamma) triggers an increase in the major histocompatibility complex I and II, and most importantly, a de novo antigen cross-presentation capacity. Thus, despite their natural immunosuppressive properties, MSCs can be modulated to become pro-inflammatory. As the pyrimidoindole derivative UM171 induces the upregulation of several antigen presentation-involved genes in human hematopoietic stem cells, we investigated its potential for inducing antigen presentation by MSCs. Flow cytometry analysis showed an upregulation in H2-kB levels after treatment with the drug, correlating with an increase in antigen presentation indicated by higher activation of the SIINFEKL-specific B3Z T cell line. This de novo cross-presentation of an immunogenic peptide did not result from an increase in protein uptake or processing, but rather stemmed from the drug-induced expression of the Psmb8 gene. As treatment with multiple antioxidants and inhibitors of the electron transport chain complexes significantly reduced the observed effects, we conclude that UM171-mediated cross-presentation is ROS-dependent. In the context of therapeutic vaccination, immunization with UM171-treated MSCs in mice with pre-established EG.7 tumors resulted in 40% survival. Overall, our study reveals a new pharmacological approach in modifying MSCs to become antigen presenting cells, hence allowing the development of future innovative and potent anti-tumoral vaccines.

Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) represent a scalable cell source for the generation of hematopoietic progenitor cells (iHPCs); however, a lack of efficient iHPC expansion in vitro currently limits translational applications. To address this translational bottleneck, we assessed a panel of stem cell agonist cocktails (SCACs), originally developed to enhance cord-blood derived HSPC (CB-HSPC) expansion, on iHPC expansion. Three SCACs and GAS6 (X2A, X2A+GAS6, SM6, or SMA) were supplemented during iHPC differentiation and subsequent expansion using the STEMdiff™ Hematopoietic Kit. This monolayer differentiation strategy yielded a population of CD34⁺CD43⁺ and CD45⁺CD34⁺ iHPC. SCAC supplementation during iHPC differentiation yielded up to 2.5-fold higher frequency of CD34⁺CD43⁺ hematopoietic progenitors and up to 2.9-fold higher frequency of CD45⁺CD34⁺CD45RA⁻CD90⁺ HSC-like cells compared to non-treated controls. Subsequent SCAC supplementation during 2 weeks of expansion culture also significantly increased iHPC expansion (X2A+GAS6: 3.8-fold, X2A: 3.5-fold, SM6: 2.8-fold, SMA: 2.0-fold). The expanded iHPCs retained high levels of CD34⁺CD43⁺ expression but we observed an increase in the expansion of HSC-like cell fraction. The collective expansion observed with the SCACs was 1.5- to 2.8-fold higher than UM171 treatment alone. Furthermore, all SCAC-supplemented iHPCs retained multilineage potency, producing erythroid and granulocyte-macrophage progenitors in CFU assays. However, prolonged expansion, beyond 7 days, reduced multilineage potential, indicating a limited expansion window. Although optimal timing and composition of SCAC supplementation remains to be refined, these results highlight that exploiting the additive and synergistic effects of multiple small molecules represents a promising approach for enhancing iHPC expansion yields and biomanufacturing.

La molécule UM171 amplifie les greffons de cellules souches hématopoïétiques. Cela permet l’utilisation de greffons de cellules souches provenant du sang de cordon ombilical pour des greffes chez les patients adultes, notamment dans les cas de cancers du sang. Bien que le mode d’action biologique d’UM171 soit connu, la protéine à laquelle se lie UM171 reste indéterminée. Le but de ce projet est d’identifier cette protéine-cible. Afin d’atteindre cet objectif, cette étude mise sur la conception, la synthèse, puis l’utilisation de sondes d’affinité. Dans ce mémoire, deux types de sonde sont présentées : les sondes d’affinité non covalentes et les sondes d’affinité photoréactives. Dans un premier temps, une sonde non covalente est synthétisée. Cette sonde, très active, est ensuite utilisée dans un essai de chimio-protéomique. Elle permet d’identifier les protéines KBTBD4, RCOR1 et HDAC2 par buvardage de western. Dans un deuxième temps, une sonde photoréactive est conçue, puis synthétisée. Considérant l’hypothèse de la présence d’un acide carboxylique dans le site actif de la protéine-cible, cette sonde exploite une fonctionnalité 2,5-diaryltétrazole comme groupement photoréactif sélectif aux acides carboxyliques. Afin de maximiser l’activité de cette sonde, celle-ci est développée grâce à l’étude de plusieurs analogues, dont la synthèse est également rapportée. Dans un troisième temps, la sonde photoréactive est utilisée dans deux essais de chimio- protéomique. Ces essais ont permis d’identifier la protéine CUL3 par spectrométrie de masse. La protéine CAND1 a également été identifiée, de façon moins significative. / The small molecule UM171 amplifies hematopoietic stem cells grafts. This allows the use of umbilical cord blood stem cells grafts for transplants in adult patients, for example in the case of blood cancer. Although the biological mode of action of UM171 is known, the protein to which UM171 binds remains undetermined. The aim of this project is to identify this target protein. To achieve this goal, this study focuses on the design, synthesis, and use of affinity probes. In this thesis, two types of probes are presented: non-covalent affinity probes and photoreactive affinity probes. First, a non-covalent probe is synthesized. This probe revealed to be very potent and is used in a chemoproteomics assay. The proteins KBTBD4, RCOR1 and HDAC2 are identified by western blotting. Second, a photoreactive probe is designed, and then synthesized. Assuming the presence of a carboxylic acid in the active site of the target protein, this probe exploits a 2,5-diaryltetrazole functionality as its photoreactive group selective to carboxylic acids. To maximize the activity of this probe, it is designed by studying several analogues, the synthesis of which is also reported. Third, the photoreactive probe is used in two chemoproteomics assays. These led to the identification of the protein CUL3 by mass spectrometry. The protein CAND1 was also identified, less significantly.

De nos jours, la greffe de cellules souches hématopoïétiques (GCSH) de type allogénique est le traitement standard pour de nombreuses hémopathies malignes, et ce, en dépit des taux élevés de complications liées à la transplantation, telles que les infections, les rechutes et la maladie du greffon contre l’hôte (GVH), associées à cette procédure. Depuis les deux dernières décennies, plusieurs stratégies visant à contrôler la maladie du GVH ont émergé et incluent la déplétion partielle et la manipulation ex vivo des cellules T du greffon. En revanche, ces stratégies peuvent entrainer de sévères déficits immunitaires post-greffe. En comparaison avec les autres sources de cellules souches, une faible incidence de la maladie du GVH et de rechute est observée chez les patients recevant une greffe de sang de cordon ombilical (SC). En contrepartie, ce type de greffe engendre des retards dans la restauration immunitaire, rendant ainsi les patients plus susceptibles aux agents pathogènes. À l’inverse, une augmentation plus importante de la production de cellules T naïves, d’émigrants thymiques récents et de l’abondance des clonotypes des cellules T fut détectée chez les patients ayant reçu une GCSH dérivée du sang d’un seul cordon traité avec UM171, une molécule utilisée pour l'amplification ex vivo des CSHs dérivés de SC, relativement aux patients ayant reçu une GCSH standard. Dans ce mémoire, nous essaierons de comprendre le mécanisme moléculaire sous-jacent à la restauration immunitaire chez les patients transplantés avec un greffon de SC traité avec UM171, nous tenterons de déceler des progéniteurs lymphoïdes au sein des cellules de SC traitées avec UM171 et nous essaierons d’identifier un marqueur de surface qui pourrait être utilisé pour enrichir les progéniteurs lymphoïdes. Nos résultats démontrent la présence de deux "clusters" lymphoïdes, PCL et LMPP, qui expriment potentiellement CD10, et sont plus nombreux dans les échantillons de SC CD34+ traités avec UM171 comparativement aux contrôles. En utilisant les marqueurs de surface CD10 et CD45RA, nous avons pu identifier deux populations CD34+ (CD10medCD45RAmed/lo et CD10hiCD45RAhi) qui sont multipliées dans les cultures traitées avec UM171 relativement aux contrôles. En outre, nous démontrons également que seules les cellules CD45RA- peuvent générer les deux populations CD10+ in vitro, ce qui suggère que les cellules CD10medCD45RAmed/lo définissent une population plus primitive que les cellules CD10hiCD45RAhi. De surcroit, nous proposons que la population CD10medCD45RAmed/lo pourrait contenir des LMPPs qui se différencieront en PCLs inclus dans la population CD10hiCD45RAhi. D'un point de vue fonctionnel, nous observons un développement et une maturation des lymphocytes T nettement plus rapide pour la population CD10+CD34+ relativement à la population CD34+ totale à 3 et 6 semaines, ce qui suggère que CD10 pourrait être utilisé comme marqueur de progéniteurs lymphoïdes. Par ailleurs, nous détectons également un pourcentage plus élevé de cellules ayant un phénotype ILC dans la population CD10+CD34+ comparativement à la population CD34+ totale, ce qui suggère que la population CD10+CD34+ peut potentiellement contenir des progéniteurs lymphoïdes capables de produire différents types de cellules immunitaires. D’autre part, la population CD45RA+ produit plus rapidement des lymphocytes T contrairement à la population CD45RA-. En conséquence, nous proposons que la population CD45RA- contient des cellules primitives (ex. CSH) qui à leur tour génèrent des progéniteurs multipotents contenus dans la population CD10+CD34+ (ex. LMPP) et qui éventuellement produiront des progéniteurs à potentiel plus restreint inclus dans la population CD45RA+ (ex. CLP). En somme, ce mémoire identifie pour la première fois une population CD10+CD34+ présente dans le greffon traité avec UM171 avec un potentiel T et produisant potentiellement des ILCs. L’un des problèmes majeurs liés à la GCSH dérivée du SC est une restauration immunitaire retardée; par conséquent, optimiser l’infusion de cellules CD34- en augmentant le nombre de progéniteurs lymphoïdes pourrait considérablement aider à stimuler la restauration immunitaire chez les patients recevant une GCSH dérivée de SC. / Currently, allogeneic hematopoietic stem cell transplantation is a standard treatment for many hematological malignancies, although high rates of transplant-related complications such as infections, relapse, and GVHD has constrained the implementation of HSCT. Strategies have emerged to manage GVHD and include partial T-cell depletion and ex vivo manipulation of donor T cells, albeit they have adverse effects on post-transplantation immune recovery and can cause profound immunodeficiency. In comparison to other stem cell sources, a lower incidence of chronic GVHD and relapse is reported in patient receiving cord blood (CB) transplant, although they also display an enhanced susceptibility to pathogens caused by an ineffective T-cell reconstitution. In contrast, we reported a greater increase in naïve T cells production, recent thymic emigrants and T cell clonotype from 3 months to 6 and 12 months in patient transplanted with a single CB graft expanded with UM171, a small molecule used for the ex vivo expansion of CB HSCs, as compared to counterpart patients receiving unmanipulated CB graft. In this master research, we aimed to understand the molecular mechanism underlying T-cell reconstitution in patients transplanted with UM171- expanded CB graft. We tried to identify lymphoid progenitors within the highly heterogeneous CD34+ CB cells treated with UM171 using Cite-Seq, find a surface marker that can be used to enrich for early lymphoid progenitors using flow cytometry, and assess their lineage potential using artificial thymic organoids. Our results highlight the presence of two lymphoid clusters, CLP and LMPP, expressing CD10. The LMPP cluster is about 6 fold expanded in UM171-treated cells as compared to uncultured and DMSO-treated cells. Using the marker CD10 and CD45RA we identify two CD34+ populations (CD10medCD45RAmed/lo and CD10hiCD45RAhi) that are significantly expanded in CD34+ CB cells cultured in the presence of UM171 in contrast to uncultured CD34+ CB cells and DMSO-supplemented cultures. Furthermore, we demonstrate that only the CD45RA-negative cells can give rise to both CD10-positive subsets in vitro, suggesting that CD10medCD45RAmed/lo cells define a subset with a more primitive phenotype than CD10hiCD45RAhi. We propose that the CD10medCD45RAmed/lo subset could contain LMPPs that will commit to CLPs contained within the CD10hiCD45RAhi subset. Functionally, we compared T-cell development and maturation of the CD10+CD34+ subset (including CD10medCD45RAmed/lo and CD10hiCD45RAhi) to the CD45RA+CD34+, CD45RA-CD34+ and total CD34+ subsets and denote a faster T cell development and maturation at 3 and 6 weeks within the CD10-positive subset in contrast to the total CD34+ subset, suggesting that CD10 can be used as a marker of lymphoid precursors in UM171 cultures. We also observe a higher percentage of ILC-like cells within the CD10-positive subset as compared to total CD34+ cells suggesting that the CD10- positive subset potentially contains lymphoid precursors with multilineage capacity. Faster T cell development is observed for the CD45RA+ subset whereas CD45RA- cells display the slowest T cell development, hence we propose that the CD45RA- subset contains primitive cells (e.g. HSC) that segregate into lineage-biased multipotent progenitors enriched in the CD10-positive subset (e.g. LMPP) that will give rise to lineage-restricted precursors that are CD45RA+ (e.g. CLP). In sum, our findings represent the first identification of a CD10-positive population within the UM171- expanded graft that has T potential and could potentially produce ILCs. Delayed immune reconstitution is a major obstacle impeding the implementation of CB HSCT; therefore optimizing infusion of CD3+ donor cells by enriching for lymphoid precursors could help boost T-cell reconstitution following allogeneic HSCT.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont des cellules souches adultes, responsables du maintien du système sanguin tout au long de la vie des vertébrés. Les CSH sont des cellules multipotentes spécialisées qui possèdent deux propriétés principales : leur capacité à se différencier en de multiples lignées et leur capacité à créer d'autres cellules souches (c'est-à-dire l'autorenouvellement). Grâce à ces caractéristiques, les CSH ont un énorme potentiel thérapeutique. En effet, la transplantation de CSH constitue à ce jour une option de choix pour le traitement de plusieurs maladies et troubles hématologiques. Les CSH ne se retrouvent que dans certains échantillons biologiques comme la moelle osseuse, les cellules mobilisées de la moelle osseuse dans le sang périphérique ou les cellules de sang de cordon ombilical. Les applications cliniques des CSH sont souvent limitées en raison de leur faible fréquence dans les échantillons biologiques, c’est pourquoi leur expansion ex vivo est un domaine de recherche en plein essor. Des approches basées sur des petites molécules pour amplifier le nombre les cellules couches ex vivo ont été testées avec succès pour permettre la prolifération des cellules et freiner leur différentiation. Notre groupe a contribué à ce domaine en identifiant la petite molécule UM171 qui peut amplifier les CSH ex vivo par reprogrammation épigénétique. Dans le cadre des efforts d’expansion ex vivo des CSH, un obstacle majeur est la caractérisation des cellules qui ont proliféré ex vivo afin d’évaluer de façon exhaustive le potentiel des greffons pour des applications ultérieures. La caractérisation phénotypique des CSH amplifiées ex vivo est une approche prometteuse pour aider à isoler et à purifier les cellules souches. Les travaux de cette thèse explorent l'association de l'immunophénotype à la fonctionnalité des cellules souches pour nous aider à définir l'hétérogénéité des cellules amplifiées. Au chapitre 2, en utilisant un profilage de cellules amplifiées basée sur le transcriptome, nous avons pu identifier CEACAM1 comme un nouveau marqueur fonctionnel des CSH. Concomitamment, au chapitre 3, nous appliquons une approche alternative basée sur le protéome de la surface cellulaire pour aider à caractériser le phénotype des cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (CSPH) amplifiées ex vivo afin d'identifier GPA33 en comme marqueur probable de CSH. Les marqueurs de surface compatibles avec la culture constituent un excellent outil pour un isolement prospectif rapide et des manipulations in vitro et in vivo supplémentaires pour permettre une meilleure compréhension de la biologie des cellules souches. La caractérisation des HSPC expansées ex vivo est donc une tentative de combler le fossé et de permettre des stratégies thérapeutiques améliorées. / Hematopoietic stem cells (HSCs) are responsible for maintaining the blood system throughout the lifespan of vertebrates. HSCs are specialized multipotent cells that have two main properties – their ability to differentiate into multiple lineages and their ability to create more stem cells (i.e. self-renewal). Due to these special abilities, HSCs have tremendous therapeutic potential. HSCs thus to date are the best curative measure against most hematological malignancies and disorders. HSCs occur in limited frequency and can be found only from certain conserved sources like the bone marrow or mobilized cells from the bone marrow in the peripheral blood or umbilical cord blood cells. Clinical applications of HSCs are often restricted due to their low occurring frequencies, therefore ex vivo expansion is a growing research field. Small molecule-based approaches to expand stem cells ex vivo have been successfully tested to allow for proliferation of cells by curbing their differentiation. Our group has contributed to this field by the identification of the small molecule UM171 which can expand hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) ex vivo via epigenetic reprogramming. To expand HSPCs ex vivo a major hurdle is the proper characterization of the ex vivo expanded cells to evaluate the full potential of grafts for further downstream applications. Phenotypic dissociation of ex vivo expanded HSPCs is a prospective tool to help isolate and purify stem cells. Identification of culture-compatible surface markers is therefore the first step to help characterize the ex vivo expanded cells. The work in this thesis explores the association of immunophenotype to the functionality of stem cells to help us delineate the heterogeneity of expanded cells. In Chapter 2, using transcriptome-based interrogation of expanded cells, we were able to identify CEACAM1 as a novel functional marker of HSCs. Whereas, in Chapter 3 we apply an alternative cell surface proteome-based approach to help characterize the phenotype of ex vivo expanded HSPCs to identify GPA33 as a probable HSC marker. Culture-compatible surface markers make for an excellent tool for rapid prospective isolation and additional in vitro and in vivo manipulations to allow a better understanding of stem cell biology. Characterization of ex vivo expanded HSPCs is thus an attempt to help bridge the gap and allow for enhanced therapeutic strategies.