D'abord développées pour traiter les maladies respiratoires (asthme, BPCO...), les thérapies inhalées sont depuis peu l'objet d'un intérêt particulier pour délivrer des molécules dans le sang via la barrière alvéolo-capillaire. Quelle que soit la cible de ces thérapies, leur efficacité dépend de la quantité de médicament qui arrive sur la zone à traiter dans l'arbre respiratoire. La région extrathoracique (appelée "région ET" et comprenant la bouche, l'oropharynx, le larynx et le début de la trachée) se comporte alors comme un "filtre" où se dépose une certaine masse de médicament. Afin d'optimiser une telle administration, il est nécessaire de connaître au mieux l'influence des facteurs caractéristiques de l'inhalation (entre autres, le débit d'inhalation, les diamètres des particules inhalées, les propriétés physiques du gaz porteur). Pour cela, un modèle réaliste de région ET a été construit à partir des données issues de l'imagerie médicale. Après la définition d'un maillage et le choix d'un modèle de turbulence et de paramètres adéquats, les équations de Navier-Stokes ont été résolues numériquement pour (i) décrire l'écoulement dans ce modèle et (ii) pour déterminer les trajectoires des particules inhalées. En parallèle, deux études expérimentales ont été menées sur l'exacte reproduction physique du modèle : l'une pour estimer les pertes de pression provoquées par des écoulements d'air et d'oxhel (mélange hélium (78 %) - oxygène (22 %)), l'autre pour mesurer les vitesses par IRM d'un écoulement d'hélium-3 hyperpolarisé. Les résultats obtenus en terme d'écoulement et de quantité de particules déposées dans la région ET sont en accord avec les rares données expérimentales existantes. Ils montrent l'influence prépondérante de la géométrie tant sur l'écoulement (marqué par la présence, vérifiée expérimentalement, du jet laryngeal) que sur le dépôt. Les zones préférentielles de dépôt se situent là où des variations géométriques brusques surviennent (rétrécissement de section et courbures près de l'épiglotte et en amont de la glotte), et là où le caractère turbulent de l'écoulement est prononcé (en fin de larynx notamment). Ces constatations ont permis de caractériser avec précision le dépôt à l'aide de deux nombres adimensionnés : le nombre de Stokes, caractéristique de l'impaction inertielle et le nombre de Reynolds, caractéristique du régime de l'écoulement. L'étude a permis une meilleure appréhension des influences des divers paramètres à considérer pour modéliser une inhalation d'aérosol médicament et, de surcroît, une prévision des quantités de médicament déposée et transmise à l'arbre respiratoire, soit un outil précieux pour l'optimisation des thérapies inhalées. La méthodologie, ainsi développée, est applicable aux morphologies issues d'une étude clinique en cours et permettra d'affiner la caractérisation / Inhaled therapies were originally developed to treat respiratory diseases (e.g., asthma and COPD). They are now the subject of research to deliver medicine to the blood through the alveolar-capillary barrier. The efficacy of such therapies lies in the quantity of medicine that reaches the targeted area in the respiratoy tree. The extrathoracic region (called "ET" and including the mouth, the oropharynx, the larynx and the beginning of the trachea) has the role of a "filter" limiting the amount of medicine that is deposited in the targeted area. In order to optimize the administration of aerosol medicine, it is necessary to know the influence of the various parameters of an inhalation (among others, the inhalation flow rate, the diameter of inhaled particles, the physical properties of the cariier gas). Therefore, a realistic model of the ET region has been constructed from data obtained from medical imaging. The Navier-Stokes equations were numerically solved (i) to describe the flow in the model and (ii) to determine the trajectories of inhaled particles. The numerical analysis required the development of an appropriate mesh and the choice of turbulence model and parameters. In parallel, two experimental studies were performed on an exact physical reproduction of the model : one to estimate the pressure losses in air and oxhel (a helium (78 %) - oxygen (22 %) mixture) flows and another to measure the velocity field using a MRI of a hyperpolarized helium-3 flow. The flow and deposition results that were obtained in the model of the ET region are in agreement with the few existing experimental data. They show the dominant effect of the geometry not only on the flow (marked by the experimentally verified presence of the laryngeal jet) but also on the particle deposition. The major areas of deposition are located where sudden geometrical changes are observed (like the constrictions and the bends near the epiglottis and upstream the glottis) and where the turbulent character of the flow is pronounced (particulary at the end of the larynx). These observations allowed for the accurate characterization of the deposition with non-dimensional numbers : the Stokes number, characteristic number of the inertial impaction, and the Reynolds number, characteristic number of the flow regime. The study allows for the improved comprehension of the influences of the various parameters that must be considered to model the inhalation of aerosol medicine. Furthermore, predictions in terms of the deposited and transmitted mass of medicine were possible. The methodology explained herein will be applicable to the morphologies that are to be obtained from an on-going clinical study

D'abord développées pour traiter les maladies respiratoires (asthme, BPCO...), les thérapies inhalées sont depuis peu l'objet d'un intérêt particulier pour délivrer des molécules dans le sang via la barrière alvéolo-capillaire. Quelle que soit la cible de ces thérapies, leur efficacité dépend de la quantité de médicament qui arrive sur la zone à traiter dans l'arbre respiratoire. La région extrathoracique (appelée "région ET" et comprenant la bouche, l'oropharynx, le larynx et le début de la trachée) se comporte alors comme un "filtre" où se dépose une certaine masse de médicament. Afin d'optimiser une telle administration, il est nécessaire de connaître au mieux l'influence des facteurs caractéristiques de l'inhalation (entre autres, le débit d'inhalation, les diamètres des particules inhalées, les propriétés physiques du gaz porteur). Pour cela, un modèle réaliste de région ET a été construit à partir des données issues de l'imagerie médicale. Après la définition d'un maillage et le choix d'un modèle de turbulence et de paramètres adéquats, les équations de Navier-Stokes ont été résolues numériquement pour (i) décrire l'écoulement dans ce modèle et (ii) pour déterminer les trajectoires des particules inhalées. En parallèle, deux études expérimentales ont été menées sur l'exacte reproduction physique du modèle : l'une pour estimer les pertes de pression provoquées par des écoulements d'air et d'oxhel (mélange hélium (78 %) - oxygène (22 %)), l'autre pour mesurer les vitesses par IRM d'un écoulement d'hélium-3 hyperpolarisé. Les résultats obtenus en terme d'écoulement et de quantité de particules déposées dans la région ET sont en accord avec les rares données expérimentales existantes. Ils montrent l'influence prépondérante de la géométrie tant sur l'écoulement (marqué par la présence, vérifiée expérimentalement, du jet laryngeal) que sur le dépôt. Les zones préférentielles de dépôt se situent là où des variations géométriques brusques surviennent (rétrécissement de section et courbures près de l'épiglotte et en amont de la glotte), et là où le caractère turbulent de l'écoulement est prononcé (en fin de larynx notamment). Ces constatations ont permis de caractériser avec précision le dépôt à l'aide de deux nombres adimensionnés : le nombre de Stokes, caractéristique de l'impaction inertielle et le nombre de Reynolds, caractéristique du régime de l'écoulement. L'étude a permis une meilleure appréhension des influences des divers paramètres à considérer pour modéliser une inhalation d'aérosol médicament et, de surcroît, une prévision des quantités de médicament déposée et transmise à l'arbre respiratoire, soit un outil précieux pour l'optimisation des thérapies inhalées. La méthodologie, ainsidéveloppée, est applicable aux morphologies issues d'une étude clinique en cours et permettra d'affiner la caractérisation

Le cadmium (Cd), métal extrêmement toxique, peut pénétrer dans l'organisme par ingestion, mais également par inhalation. Le mécanisme régissant son transport membranaire est jusqu'ici inconnu mais sa nature toxique suggère qu'il puisse emprunter des systèmes de transports dédiés à certains éléments essentiels tels que le calcium (Ca). Notre étude évalue la cytotoxicité du Cd, du Pb et du Hg utilisés seuls ou en combinaisons multiples dans deux lignées cellulaires humaines A549 et H441 qui représentent respectivement le phénotype de cellules alvéolaires et bronchiolaires de l'épithélium pulmonaire. La caractérisation du transport de Cd selon la spéciation organique et inorganique et selon le pH est aussi étudiée tout en vérifiant l'implication possible des voies calciques. L'essai MTT indique que le Cd et Hg sont cytotoxiques dans les deux lignées alors que le Pb ne semble pas affecter la viabilité cellulaire. Les résultats démontrent aussi que la lignée A549, pour laquelle la plus faible valeur de LC₅₀ a été mesurée, est deux fois plus sensible au Cd que la lignée H441 (60 µM vs 120 µM). L'étude de l'accumulation du ¹⁰⁹Cd montre que la variation de cette sensibilité ne peut être attribuée à une accumulation supérieure de Cd. Dans les deux lignées, les résultats de toxicité et d'accumulation du Cd en présence de Hg et de Pb indiquent la présence d'une corrélation entre les contenus cellulaires en Cd et le potentiel toxique. Il semble que le Pb protège les deux lignées contre la toxicité du Cd en inhibant le transport membranaire du Cd alors que le Hg sensibilise les cellules A549 en augmentant les niveaux d'accumulation du Cd. La caractérisation du transport membranaire de ¹⁰⁹Cd montre une inhibition de l'accumulation temporelle du ¹⁰⁹Cd dans un milieu chloré en présence d'un excès de Cd non radioactif ce qui indique l'implication d'un système spécifique de transport. Les paramètres d'accumulation et les caractéristiques cinétiques varient d'une lignée à l'autre et révèlent la présence d'un processus saturable et à haute affinité (Km < 5M dans les deux cas). L'accumulation de Cd est supérieure en milieux inorganiques (chloré et nitré) comparativement au milieu organique (DMEM) probablement suite à la complexation du Cd. Nos résultats montrent aussi une plus grande variation du transport de Cd en fonction du pH dans la lignée A549; le Cd étant bien moins transporté à pH acide. L'étude des interactions Cd-Ca montre que le Ca n'inhibe pas le transport du ¹⁰⁹Cd mais que le Cd inhibe le transport de ⁴⁵Ca. Dans les cellules A549, un transport de ⁴⁵Ca dépendant du voltage et hautement sensible à une inhibition par le Cd a aussi pu être mis en évidence. En conclusion, l'accumulation pulmonaire de Cd n'implique pas de voies de transport calciques et varie selon le phénotype cellulaire et les interactions avec d'autres métaux. La toxicité du Cd n'est pas toujours corrélée aux niveaux d'accumulation du métal et dépendrait d'autres mécanismes cellulaires qui réduisent la toxicité du Cd et diffèrent d'une lignée à l'autre. Nous émettons donc l'hypothèse que des mécanismes de protection cellulaire (GSH, MT et HSP70) seraient probablement responsables des variations de sensibilité observées dans les cellules A549 et H441. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Métaux lourds (Cd, Pb et Hg), Cellules A549 et H441, Transport membranaire, Viabilité cellulaire, Canaux calciques dépendants du voltage.

La Fibrose Kystique, causée par des mutations du canal CFTR, mène à la dysfonction du transport des fluides et des ions causant la déshydratation du liquide de surface des voies aériennes et ainsi une défaillance de la clairance mucocilliaire. Ce défaut entraine l’accumulation et l’épaississement du mucus au niveau des bronches qui devient alors un environnement idéal pour le développement d’infections chroniques et d’inflammation qui sont associées à la destruction progressive de l’épithélium chez les patients Fibrose Kystique. Même si leur rôle dans les processus lésionnels est très bien connu, l’impact de médiateurs inflammatoires sur la capacité de réparation ne l’est cependant pas. L’objectif de ma maitrise était donc d’étudier la régulation des mécanismes de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le facteur de nécrose tumoral (TNF)-alpha, une cytokine pro-inflammatoire cruciale dans l’initiation et la propagation de la réponse inflammatoire chez les patients FK. À l’aide d’un modèle de plaies mécaniques, nous avons montré que le TNF-alpha stimule la réparation de l’épithélium bronchique sain (NuLi-1) et Fibrose Kystique (CuFi-1). De façon surprenante, l’exposition chronique au TNF-alpha augmente cette stimulation tout comme le taux de migration cellulaire pendant la réparation. Cette augmentation de réparation semble être médiée par l’activation de la métalloprotéinase MMP-9, la relâche d’EGF par les cellules épithéliales et ainsi l’activation de la voie d’EGFR. De plus, l’activation de la réparation par le TNF-alpha semble aussi impliquer l’activation des canaux K+, dont nous avons démontré le rôle important dans la réparation. Contrairement à son effet sur la migration cellulaire et sur la réparation, le TNF-alpha diminue la prolifération cellulaire. En somme, en plus de son rôle dans les processus lésionnels, le TNF-alpha semble avoir un rôle complexe dans les processus de réparation puisqu’il stimule la migration et ralentit la prolifération cellulaire. / Cystic fibrosis (CF) pathology, caused by mutations of cftr gene, leads to ion and fluid transport dysfunction that results in mucus thickening and accumulation in the airways. This mucus accumulation promotes bacterial infection and airway inflammation associated with progressive airway epithelial damage in CF patients, unfortunately leading to respiratory failure. However, the effect of inflammatory products on the repair capacity of respiratory epithelia is unclear. Thus, the objective of my project was to study the regulation of normal and CF bronchial epithelial repair mechanisms by tumor necrosis factor-alpha (TNF)-alpha, a major component of inflammation initiation and propagation in CF. With a wound healing model, we observed that TNF-alpha stimulated the non-CF (NuLi-1) and CF (CuFi-1) bronchial wound healing rate. Surprisingly, chronic exposure to TNF-alpha enhanced this stimulation as well as the migration rate during repair. This wound healing rate stimulation by TNF-alpha seems to be due to metalloproteinase MMP-9 activation, EGF shedding by epithelial cells and subsequent EGFR transactivation. Furthermore, we recently reported a crucial relationship between the EGF response and K+ channel function, both controlling bronchial repair. We now show that TNF-alpha wound healing stimulation also implicated KvLQT1 and KATP currents activation. In contrast to its effect on cell migration, TNF-alpha downregulate cell proliferation. Thus, in addition to its recognized role in the inflammatory response leading to epithelial injury, TNF-a could exert complex actions on repair mechanisms of CF airway epithelia by upregulating cell migration while downregulating proliferation.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

LORVR ou obstruction récurrente des voies respiratoires (ORVR) est la cause la plus fréquente de maladie pulmonaire chronique chez le cheval adulte. La maladie se caractérise par une hyperréactivité bronchique, une production excessive de mucus et une inflammation neutrophilique pulmonaire qui ont pour effet de réduire la compliance dynamique du poumon et daugmenter la résistance des voies respiratoires au débit aérien. Alors que la maladie est une entité documentée dans la littérature depuis plus de 200 ans, les mécanismes moléculaires qui la sous-tendent restent incomplètement élucidés à ce jour. De précédentes études ont montré l'implication de variations d'expression génique, pour la plupart grâce à l'utilisation combinée de la transcription inverse et de la réaction en chaîne par polymérase (RT-PCR). Cette technique bien connue ne permet l'étude que d'un nombre limité de gènes en simultané. Les microdamiers apparaissent comme la technique de choix pour l'étude de l'expression génique à large échelle. A lheure où cette étude a débuté, il nexistait pas de microdamier dexpression spécifiquement dédié au cheval sur le marché. Un microdamier hétérologue humain (Human Genome U133 Plus 2.0 GeneChip, Affymetrix®) a donc été utilisé pour tenter didentifier de nouveaux gènes dintérêt pour comprendre la pathogénie de lORVR chez le cheval. L'utilisation du microdamier a permis de détecter 46 gènes dont lexpression variait d'un facteur supérieur à 4 entre chevaux sains et atteints. Parmi les gènes mis en avant par le microdamier, trois gènes (CYBB, MARCKS et PTX3) présentaient un intérêt particulier au regard de la littérature et leur variation dexpression a été confirmée par RT-PCR quantitative (RT-qPCR). La pentraxine 3 (PTX3) notamment appartient à la composante humorale de la réponse immune innée. Elle agit comme un ancêtre fonctionnel des anticorps. En effet, elle reconnaît les microbes, active le complément et facilite la reconnaissance de certains pathogènes spécifiques, dont Aspergillus fumigatus (A. fumigatus), par les phagocytes. La suite du travail sest donc focalisée sur PTX3. LADN complémentaire (ADNc) codant pour PTX3 et lADN codant pour le second exon de PTX3 ont été clonés et séquencés. LADN codant pour le second exon de PTX3 équin présentait une délétion de 120 paires de bases par rapport à la séquence humaine. Par ailleurs, un épissage alternatif du second exon de PTX3 a été mis en évidence, résultant en deux formes de la protéine, "épissée" (32 kilodaltons) et "complète" (42 kilodaltons). Afin d'étudier les effets de lexposition à des poussières de foin sur l'expression de PTX3 dans les voies respiratoires, six chevaux sains et six chevaux atteints dORVR ont été soumis pendant dix jours à un challenge environnemental aux poussières de foin. Les chevaux ont été étudiés via des tests cliniques, fonctionnels et biochimiques. Les lavages broncho-alvéolaires (LBA) ont été récoltés lors de l'initiation du protocole et après les dix jours d'exposition aux poussières de foin. Par ailleurs, des sections bronchiques ont été réalisées chez deux chevaux atteints d'ORVR en crise et euthanasiés pour raisons éthiques et deux chevaux indemnes d'affections respiratoires provenant de l'abattoir. PTX3 était détectée dans les macrophages du LBA après exposition aux poussières de foin et dans les cellules épithéliales bronchiques. PTX3 était surexprimée dans les macrophages du LBA chez tous les chevaux après dix jours d'exposition aux poussières de foin. Cependant, le niveau de PTX3 était plus élevé dans le surnageant des cellules provenant des chevaux atteints d'ORVR que dans celui provenant des cellules des chevaux sains. Par ailleurs, il semble que PTX3 soit surexprimée dans les cellules épithéliales bronchiques chez le cheval atteint d'ORVR. Cette piste est intéressante sur le plan thérapeutique puisque l'activation de l'expression de PTX3 dans les cellules épithéliales bronchiques est sous le contrôle du facteur c-Jun N-terminal kinase (JNK), un facteur différent de celui qui contrôle l'expression de PTX3 dans les leucocytes, à savoir le facteur nucléaire kappa B (NF-κB). L'effet de différents stimuli sur la production et lexcrétion de PTX3 par les cellules du LBA a été étudié ex-vivo après mise en culture et stimulation à la poussière de foin, au lipopolysaccharide (LPS), à A. fumigatus et avec une solution saline tamponnée pour le phosphate (PBS), utilisée comme contrôle. La présence de PTX3 a été mesurée par Western Blot six heures et vingt-quatre heures après les différentes stimulations dans les cellules et dans les surnageants respectivement. PTX3 était détectée dans les cellules et dans les surnageants mais aucune différence significative d'expression na pu être mise en évidence que ce soit entre les différents stimuli, entre les différents temps ou avec le contrôle. Ces résultats suggèrent que la poussière de foin est un inducteur indirect de PTX3./ Recurrent airway obstruction (RAO) is the first respiratory disease in adult horses. Environmental causes of RAO are well described, but the molecular mechanisms of the disease remain unclear. Previous studies have highlighted the implications of variations in gene expression in the disease, most using reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR). This well-known technique limits the number of genes that can be studied in a single assay. The microarray appears to be the platform of choice for massively parallel gene expression profiling and provides a good tool for exploratory research. However, at the time of the experiment, there was no equine-specific microarray available on the market. Because they are commercially available, highly specific and well annotated, human and mouse large-scale microarrays are an exploratory alternative to equine-specific microarrays. The first part of the present study was performed to highlight new targets not previously related to the disease and able to improve our understanding of the molecular mechanisms of the disease. A human microarray (Human Genome U133 Plus 2.0 GeneChip, Affymetrix®) was used to study gene expression in nucleated cells originating from peripheral blood and bronchoalveolar lavage fluid (BALF) in RAO-affected horses. A total of 46 candidates were identified with differentially regulated genes between RAO-affected horses and controls. Based on their documented function, five of these genes were selected for the real-time quantitative RT-PCR (RT-qPCR) validation procedure: CYBB, MARCKS and PTX3. The RT-qPCR results confirmed those obtained with the microarray, pointing out these genes as new directions for future experiments. In particular, the long pentraxin 3 (PTX3) plays an important role in the host defence and over-expression of PTX3 may contribute to airways injury. Therefore, it was hypothesised that PTX3 may have relevance in the understanding of the pathogenesis of RAO. In the second part of the study, PTX3 and its implication in RAO in horses were characterized in more details. Six healthy horses and six RAO-affected horses were submitted to a dusty environment challenge. PTX3 DNA and cDNA were cloned and sequenced. A 120bp deletion was found in the DNA of the second exon of equine PTX3 in comparison to human PTX3. In addition, an alternative splicing of the second exon of PTX3 occurred, resulting in two forms of the protein: "spliced" (32 kilodaltons) and "full length" (42 kilodaltons). The pentraxin domain was very well conserved in the two forms with 94% of amino-acids conserved between equines and humans. The effects of dust exposure and subsequent RAO crisis on PTX3 expression in the BALF and the bronchial epithelial cells were studied. Dust exposure induced PTX3 in vivo in BALF macrophages both in healthy horses and in RAO-affected horses. However, PTX3 was over-expressed in the BALF supernatant and, interestingly, in the bronchial epithelial cells from RAO-affected horses in crisis. Considering epithelial cells as one of the major cell types in the airways, PTX3 produced at this level may play an important role in the disease process. The effects of different components (ie lipopolysaccharide and A. fumigatus) and different concentrations of hay dust suspension upon PTX3 expression and excretion in BALF cells have been tested ex-vivo and compared to control (ie. Phosphate-Buffered Saline). PTX3 was detected in cells and cell culture supernatant under all conditions but there was no difference between conditions including the control. These results suggest that dust is an indirect inducer of PTX3.

La Fibrose Kystique, causée par des mutations du canal CFTR, mène à la dysfonction du transport des fluides et des ions causant la déshydratation du liquide de surface des voies aériennes et ainsi une défaillance de la clairance mucocilliaire. Ce défaut entraine l’accumulation et l’épaississement du mucus au niveau des bronches qui devient alors un environnement idéal pour le développement d’infections chroniques et d’inflammation qui sont associées à la destruction progressive de l’épithélium chez les patients Fibrose Kystique. Même si leur rôle dans les processus lésionnels est très bien connu, l’impact de médiateurs inflammatoires sur la capacité de réparation ne l’est cependant pas. L’objectif de ma maitrise était donc d’étudier la régulation des mécanismes de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le facteur de nécrose tumoral (TNF)-alpha, une cytokine pro-inflammatoire cruciale dans l’initiation et la propagation de la réponse inflammatoire chez les patients FK. À l’aide d’un modèle de plaies mécaniques, nous avons montré que le TNF-alpha stimule la réparation de l’épithélium bronchique sain (NuLi-1) et Fibrose Kystique (CuFi-1). De façon surprenante, l’exposition chronique au TNF-alpha augmente cette stimulation tout comme le taux de migration cellulaire pendant la réparation. Cette augmentation de réparation semble être médiée par l’activation de la métalloprotéinase MMP-9, la relâche d’EGF par les cellules épithéliales et ainsi l’activation de la voie d’EGFR. De plus, l’activation de la réparation par le TNF-alpha semble aussi impliquer l’activation des canaux K+, dont nous avons démontré le rôle important dans la réparation. Contrairement à son effet sur la migration cellulaire et sur la réparation, le TNF-alpha diminue la prolifération cellulaire. En somme, en plus de son rôle dans les processus lésionnels, le TNF-alpha semble avoir un rôle complexe dans les processus de réparation puisqu’il stimule la migration et ralentit la prolifération cellulaire. / Cystic fibrosis (CF) pathology, caused by mutations of cftr gene, leads to ion and fluid transport dysfunction that results in mucus thickening and accumulation in the airways. This mucus accumulation promotes bacterial infection and airway inflammation associated with progressive airway epithelial damage in CF patients, unfortunately leading to respiratory failure. However, the effect of inflammatory products on the repair capacity of respiratory epithelia is unclear. Thus, the objective of my project was to study the regulation of normal and CF bronchial epithelial repair mechanisms by tumor necrosis factor-alpha (TNF)-alpha, a major component of inflammation initiation and propagation in CF. With a wound healing model, we observed that TNF-alpha stimulated the non-CF (NuLi-1) and CF (CuFi-1) bronchial wound healing rate. Surprisingly, chronic exposure to TNF-alpha enhanced this stimulation as well as the migration rate during repair. This wound healing rate stimulation by TNF-alpha seems to be due to metalloproteinase MMP-9 activation, EGF shedding by epithelial cells and subsequent EGFR transactivation. Furthermore, we recently reported a crucial relationship between the EGF response and K+ channel function, both controlling bronchial repair. We now show that TNF-alpha wound healing stimulation also implicated KvLQT1 and KATP currents activation. In contrast to its effect on cell migration, TNF-alpha downregulate cell proliferation. Thus, in addition to its recognized role in the inflammatory response leading to epithelial injury, TNF-a could exert complex actions on repair mechanisms of CF airway epithelia by upregulating cell migration while downregulating proliferation.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les voies aériennes humaines sont bordées d'un épithélium pseudostratifié composé principalement de cellules basales et de cellules pyramidales parmi lesquelles figurent les cellules sécrétrices de mucus et les cellules multiciliées. Toutes ces cellules contribuent à la clairance mucociliaire des voies respiratoires. Cet épithélium se régénère lentement dans des conditions homéostatiques, mais il est capable de se régénérer rapidement après agression grâce à des processus de prolifération, de migration, de polarisation et de différenciation. Chez les patients atteints de maladies respiratoires chroniques telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive, l'asthme ou la mucoviscidose, la réparation tissulaire est souvent défectueuse, caractérisée par une perte de cellules multiciliées et une hyperplasie des cellules sécrétrices, ayant pour conséquence une clairance mucociliaire affectée. La séquence des événements cellulaires conduisant à un tissu fonctionnel ou remodelé est encore mal décrite. Notre principal objectif a été d’identifier les types cellulaires successifs mis en jeu lors de la régénération tissulaire et les événements moléculaires responsables d'une régénération saine ou pathologique. Nous avons analysé la composition cellulaire de l’épithélium des voies respiratoires à plusieurs stades de différenciation en utilisant un modèle de culture 3D in vitro qui reproduit la composition cellulaire in vivo. En appliquant une méthode de transcriptomique sur cellule unique couplée à des méthodes bioinformatiques, nous avons établi les hiérarchies cellulaires permettant de reconstruire les différentes trajectoires cellulaires mises en jeu lors de la régénération de l’épithélium des voies respiratoires humaines. Après avoir confirmé les lignages cellulaires qui ont été précédemment décrits, nous avons découvert une nouvelle trajectoire reliant les cellules sécrétrices de mucus aux cellules multiciliées. Nous avons également caractérisé de nouvelles populations cellulaires et de nouveaux acteurs moléculaires impliqués dans le processus de régénération de l'épithélium des voies respiratoires humaines. Enfin, grâce à ces approches, nous avons mis en évidence des réponses spécifiques de chaque type cellulaire survenant dans des situations pathologiques d’hyperplasie sécrétoire. Ainsi, nos données, en apportant d'importantes contributions à la compréhension de la dynamique de différenciation de l’épithélium des voies respiratoires humaines, ouvrent de nouvelles voies vers l’identification de cibles thérapeutiques. / Human airways are lined by a pseudostratified epithelium mainly composed of basal and columnar cells, among these cells we can find multiciliated, secretory cells and goblet cells. All these cells work together in the mucociliary clearance of the airways. This epithelium regenerates slowly under homeostatic conditions but is able to recover quickly after aggressions through proliferation, migration, polarization and differentiation processes. However, in patients with chronic pulmonary diseases such as chronic obstructive pulmonary disease, asthma or cystic fibrosis, epithelial repair is defective, tissue remodeling occurs, leading to loss of multiciliated cells and goblet cell hyperplasia, impairing correct mucociliary clearance. The sequence of cellular events leading to a functional or remodelled tissue are still poorly described. Hence, we aim at identifying the successive cell types appearing during tissue regeneration and the molecular events that are responsible for healthy or pathological regeneration. We have analysed airway epithelial cell composition at several stages of differentiation using an in vitro 3D culture model which reproduces in vivo epithelial cell composition. Applying single cell transcriptomics and computational methods, we have identified cell lineage hierarchies and thus constructed a comprehensive cell trajectory roadmap in human airways. We have confirmed the cell lineages that have been previously described and have discovered a novel trajectory linking goblet cells to multiciliated cells. We have also discovered novel cell populations and molecular interactors involved in the process of healthy human airway epithelium regeneration. Using these approaches, we have finally shed light on cell-type specific responses involved in pathological goblet cell hyperplasia. Our data, by bringing significant contributions to the understanding of differentiation’s dynamics in the context of healthy and pathological human airway epithelium, may lead to the identification of novel therapeutic targets.

L’asthme équin est une condition inflammatoire fréquente affectant les voies respiratoires inférieures. Cette maladie est caractérisée par une bronchoconstriction, une hyperréactivité bronchique, ainsi que des changements des différentes couches tissulaires des voies respiratoires que l’on regroupe sous le terme de remodelage pulmonaire. Le remodelage du muscle lisse bronchique dans l’asthme comprend une hyperplasie, une hypertrophie, ainsi qu’une altération des propriétés contractiles des myocytes. Bien que ces changements aient été décrits dans la forme sévère de l’asthme équin, la présence de telles altérations chez les chevaux atteints des formes légères à modérées de l’asthme demeure incertaine. L’objectif de notre étude est donc de déterminer si le muscle lisse bronchique présente un remodelage chez les chevaux asthmatiques légers à modérés. Des biopsies endobronchiques provenant de 18 chevaux asthmatiques et de 7 chevaux contrôles ont été étudiées. Le diagnostic était basé sur les signes cliniques et confirmé par cytologie du lavage bronchoalvéolaire. La prolifération des cellules du muscle lisse bronchique était évaluée par l’expression du proliferating cell nuclear antigen marqué par immunohistochimie, et l’expression génique de l’isoforme rapide de la myosine, une protéine hypercontractile, a été mesurée par RT-qPCR. Cette étude a permis de mettre en évidence une surexpression de l’isoforme rapide de la myosine chez les chevaux asthmatiques légers à modérés. Malgré l’absence de différence dans le taux de prolifération cellulaire du muscle lisse bronchique entre les groupes, le pourcentage de myocytes en prolifération était corrélé à l’inflammation pulmonaire neutrophilique ainsi qu’à l’expression de l’isoforme rapide de la myosine chez les chevaux asthmatiques. Cette première étude évaluant le remodelage du muscle lisse bronchique chez les chevaux asthmatiques légers à modérés a démontré une altération fonctionnelle du muscle lisse bronchique dans les formes légères de l’asthme équin, une possible influence de la neutrophilie pulmonaire sur la prolifération du muscle lisse, ainsi qu’une association entre les phénotypes prolifératifs et contractiles. Les altérations identifiées pourraient servir de biomarqueurs potentiels dans l’évolution de la maladie et de la réponse aux traitements. / Equine asthma is a common inflammatory condition affecting the lower airways. This disease is characterised by bronchoconstriction, airway hyperreactivity, and changes in the different tissue layers of the airways, which are referred to as airway remodelling. Remodelling of the smooth muscle in asthma includes hyperplasia, hypertrophy, and altered contractile properties of the myocytes. Although these changes have been described in severe equine asthma, their presence in horses with milder forms of asthma remains unclear. The aim of our study was therefore to determine whether airway smooth muscle remodelling occurs in horses with mild to moderate asthma. Endobronchial biopsies from 18 asthmatic horses and 7 control horses were studied. The diagnosis was based on clinical signs and confirmed by bronchoalveolar lavage cytology results. Airway smooth muscle cell proliferation was assessed by the expression of immunohistochemically labelled proliferating cell nuclear antigen, and the gene expression of the fast contracting myosin isoform, a hypercontractile protein, was measured by RT-qPCR. This study showed overexpression of the fast contracting myosin isoform in horses with mild to moderate asthma. Although there was no difference in the proliferation rate of airway smooth muscle myocyte between groups, it was correlated with neutrophilic lung inflammation as well as with the expression of the fast myosin isoform in asthmatic horses. This first study evaluating airway smooth muscle remodelling in mild to moderate asthmatic horses has demonstrated a functional alteration of airway smooth muscle in mild equine asthma, as well as a possible influence of pulmonary neutrophilia on smooth muscle proliferation, and an association between proliferative and contractile phenotypes. The identified alterations could eventually serve as biomarkers in the evolution of the disease and the response to treatments.