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La greffe de cellules souches hématopoïétiques (CSH) constitue une avancée thérapeutique considérable dans le traitement de maladies hématologiques et non hématologiques. Toutefois, malgré qu’elle sauve des vies, elle n’est pas sans risque. Le syndrome lymphoprolifératif post-transplantation (SLPT) est l’une des complications qui peut survenir après ce type de greffe avec un risque de mortalité pouvant atteindre 80% en l’absence de traitement. Par ailleurs, les traitements disponibles pour limiter le développement de ce syndrome ne sont pas sans effets néfastes. Le SLPT est surtout une conséquence d’une primo-infection ou d’une réactivation non-contrôlée du virus d’Epstein-Barr (VEB). Au moins 90% des adultes sont porteurs du VEB alors que ce pourcentage est d’environ 50-70% chez les enfants. Il est important de bien comprendre les facteurs de risque de l’infection active du VEB et du SLPT pour une meilleure gestion des greffés. Cette thèse a pour objectif de contribuer aux connaissances quant aux déterminants du VEB et du SLPT chez les greffés pédiatriques de CSH. Dans un premier temps, une revue systématique combinée à une méta-analyse a été réalisée pour élaborer un portrait exhaustif des facteurs de risque connus du VEB et du SLPT chez les greffés adultes et pédiatriques de CSH. Ensuite, à l’aide d’une étude de cohorte prospective multicentrique canadienne qui a enrôlé 156 patients pédiatriques greffés de CSH, le lien entre la transfusion de produits sanguins et l’infection VEB post-greffe a été analysé. Finalement, l’étude de cohorte multicentrique a aussi permis d’explorer des nouveaux facteurs de risque des évènements liés au VEB allant de l’ADNémie VEB à la suspicion du SLPT. Les résultats de la revue systématique et de la méta-analyse ont montré que l’utilisation de la globuline antithymocyte (ATG) pour prévenir la maladie du greffon contre l’hôte est le principal facteur impliqué dans la survenue post-greffe des infections actives du VEB et du SLPT. La forte hétérogénéité entre les études a limité la comparaison des résultats et très peu d’études portaient exclusivement sur les patients pédiatriques. D’autre part, l’analyse statistique au sein de la cohorte multicentrique n’a pas révélé une augmentation statistiquement significative du risque d’infection du VEB post-greffe associé à la transfusion. Toutefois, une analyse de génotypage du virus a indiqué que la transfusion serait très probablement liée à la primo-infection VEB d’un patient séronégatif, et ce malgré la leucoréduction (qui élimine virtuellement la présence des virus associés aux composantes cellulaires des produits sanguins). Par ailleurs, nos analyses dans la cohorte multicentrique ont corroboré l’association entre l’ATG et les évènements liés au VEB post-greffe et mis en relief deux nouvelles associations. Le mycophénolate mofétil, un médicament utilisé pour prévenir la maladie du greffon contre l’hôte, limiterait le risque des évènements liés au VEB par son action antiproliférative des lymphocytes T et B (incluant ceux infectés par le VEB), tandis que les filles seraient plus à risque des formes relativement sévères de l’infection du VEB post-greffe que les garçons. Le rationnel autour de cette dernière association n’est pas connu. Des nouvelles recherches permettront d’apprécier la reproductibilité de ces résultats. / Hematopoietic stem cell transplantation (HSC) constitutes a notable therapeutic advance in the treatment of hematological and non-hematological diseases. However, despite saving lives, it is not without risk. Post-transplant lymphoproliferative disease (PTLD) is one of the complications that can occur after this type of transplant with a mortality risk of up to 80% if left untreated. Moreover, the treatments available to limit the development of this disease are not without harmful effects on transplant recipients. PTLD is predominantly a consequence of primary infection or uncontrolled reactivation of Epstein-Barr virus (EBV). At least 90% of adults are carriers of EBV, compared to around 50-70% in the pediatric population. It is important to understand the risk factors for active EBV infection and PLTD in order to better manage transplant recipients. This thesis aims to contribute to knowledge on the determinants of active EBV infection and PTLD in pediatric HSC transplant recipients. A systematic review combined with a meta-analysis was carried out to develop a comprehensive portrait of the known risk factors for EBV and PTLD in adult and pediatric HSC transplant recipients. Then, using a Canadian multicenter prospective cohort study that enrolled 156 pediatric HSC transplant patients, the link between blood product transfusion and post-transplant EBV infection was analyzed. Finally, the multicenter cohort study also explored new risk factors for EBV-related events ranging from EBV DNAemia to suspicion of PTLD. The results of the systematic review and the meta-analysis revealed that the use of anti-thymocyte globulin (ATG) to prevent graft-versus-host disease is the main factor implicated in the post-transplant occurrence of active EBV infection and PTLD. The high heterogeneity between studies limited the comparison of results and very few studies focused exclusively on pediatric patients. On the other hand, statistical analysis within the multicenter cohort did not reveal a significant increase in the risk of post-transplant EBV infection associated with transfusion. However, genotyping analysis of viral strains from blood donors of an EBV-negative patient who received an EBV-negative graft indicated that one of the blood donors was the source of the primary EBV infection in the patient, despite leukoreduction (which virtually eliminates the presence of cell-associated viruses in blood products). Furthermore, our analyses in the multicenter cohort corroborated the association between ATG and post-transplant EBV-related events, and highlighted two new associations. First, mycophenolate mofetil, a drug used to prevent graft-versus-host disease, is believed to reduce the risk of EBV-related events through its antiproliferative action on T and B lymphocytes (including EBV-infected B cells). Second, girls are more at risk of relatively severe forms of post-transplant EBV infection than boys. The rationale behind this latter association is unknown. New research will make it possible to assess the reproducibility of these results.

Malgré les progrès en matière de greffe de cellules souches hématopoïétique (GCSH), environ 40% des enfants atteints d’une leucémie aigüe lymphoblastique (LAL) réfractaire à la chimiothérapie ne peuvent être guéris. Notre laboratoire a démontré que l’effet précoce de greffe contre leucémie (GvL) est significativement augmenté par les cellules Natural Killer (NK) stimulées par des cellules plasmacytoïdes dendritiques (pDC). Une nouvelle thérapie cellulaire adoptive basée sur la stimulation des cellules NK par les pDC a été développée et son efficacité a été démontrée dans un modèle de souris humanisées. Des cellules hautement spécialisées appelées « Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing » (ThINKK), analogues des pDC, sont produites à partir de cellules souches hématopoïétiques de sang de cordon. Afin d’amener les ThINKK vers un usage clinique, ce projet avait comme objectif d’en compléter la caractérisation, d’investiguer leurs effets secondaires potentiels après transfert adoptif dans le contexte de transplantation hématopoïétique allogénique et d’évaluer l’impact d’un régime prophylactique immunosuppresseur sur l’axe ThINKK/cellules NK. L’identité cellulaire des ThINKK a été déterminée par cytométrie de flux et par analyse unicellulaire du transcriptome (scRNA-seq). Pour déterminer si la présence des ThINKK pourrait augmenter l’activation et la prolifération des cellules T allogéniques, nous avons utilisé des réactions lymphocytaires mixtes (MLR) dans lesquelles les cellules T et les ThINKK ont été cultivées en présence de cellules présentatrices d’antigènes. Un modèle murin de réaction de greffe contre l’hôte (xéno-GvHD) nous a permis de déterminer l’impact du transfert adoptif de ThINKK sur la GvHD in vivo. Finalement, nous avons testé l’effet d’immunosuppresseurs sur la cytotoxicité des cellules NK activées par ThINKK contre des cellules LAL. Nos résultats démontrent que les ThINKK n’expriment pas les marqueurs associés aux cellules présentatrices d’antigènes, mais expriment les marqueurs des cellules plasmacytoïdes dendritiques. L’analyse des résultats de scRNA-seq démontre la présence d’une sous-population cellulaire mineure exprimant le récepteur AXL, sans toutefois exprimer les autres marqueurs conventionnels des cellules présentatrices d’antigènes. Les ThINKK, incluant la sous-population AXL-positive, n’exacerbent pas l’activation ou la prolifération des cellules T allogéniques in vitro ou in vivo. Finalement, des cinq immunosuppresseurs testés, seules la cyclosporine A et de la méthylprednisolone diminuaient l’activation et la cytotoxicité des cellules NK induites par les ThINKK. Nos résultats suggèrent qu’une immunothérapie par transfert adoptif de ThINKK serait sécuritaire chez les patients ayant reçu une greffe allogénique. L’utilisation d’un régime prophylactique immunosuppresseur est également possible sans affecter l’efficacité de cette nouvelle immunothérapie post-transplantation. / The survival outcomes of children with relapsed acute lymphoblastic leukemia (ALL) remain dismal despite progress in hematopoietic stem cell transplantation. In the past, our team has demonstrated that the stimulation of Natural Killer (NK) cells with a subset of plasmacitoid dendritic cells (pDCs) called Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing (ThINKK) improved the early graft-versus-leukemia effect and controlled ALL development in humanized mice. ThINKK are expanded from cord blood hematopoietic stem cell progenitors for adoptive post-transplant immunotherapy. To translate these findings into the clinic, the main objectives of this project was to further characterize the ThINKK phenotype, to investigate the potential adverse effects of ThINKK in the context of allogeneic hematopoietic transplantation, and to evaluate the functional impact of the post-transplant prophylactic immunosuppressive regimen on the ThINKK/NK cell axis. The cellular identity of ThINKK was assessed using flow cytometry and single-cell RNA sequencing. To assess the potential exacerbation of T-cell activation and proliferation by ThINKK, allogeneic T cells and ThINKK were co-cultured with or without antigen-presenting cells in mixed lymphocyte reactions (MLR). We used a xenograft mouse model to evaluate the efficacy and potential side effects of an adoptive transfer of ThINKK on graft-versus-host reactions in vivo. Finally, we tested the effect of immunosuppressive drugs on ThINKK-induced NK cell cytotoxicity against ALL cells. We found that ThINKK cells did not express antigen-presenting cell markers but expressed pDCs lineage markers. Single-cell RNA sequencing analysis revealed the presence of a minor cell subset expressing the AXL receptor gene, but lacking expression of other conventional dendritic cell marker genes. Importantly, ThINKK including the AXL+ subset did not exacerbate allogeneic T-cell activation and proliferation in vitro and in vivo. Finally, out of the five immunosuppressive drugs tested, only cyclosporine A and methylprednisolone decreased ThINKK-induced NK cell activation and cytotoxicity. Our results support that ThINKK cell transfer immunotherapy could be safe in transplanted subjects even in allogeneic settings and that a prophylactic immunosuppressive regimen may be used without affecting the efficacy of this novel post-transplant immunotherapy.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Hematopoietic stem cell (HSC) transplantation is a lifesaving therapy for a number of hematological disorders. However, to be effective, transplanted HSCs must efficiently “home” to supportive niches within the bone marrow. Limited HSC number and poor function are complications of transplant in some circumstances, and can lead to delayed engraftment and immune reconstitution, or in some cases, bone marrow failure. Enhancing HSC homing is a strategy to improve stem cell transplantation efficiency. We have previously shown that ex vivo treatment of mouse or human HSCs with 16-16 dimethyl PGE2 (dmPGE2) increases their bone marrow homing efficiency and engraftment, resulting in part from upregulation of surface CXCR4 expression. We now show that pulse-treatment of mouse or human HSPCs with dmPGE2 stabilizes HIF1α in HSPCs, and that similar treatment with the hypoxia mimetic DMOG produces analogous effects to dmPGE2 on HSPC CXCR4 expression and homing. This suggests that HIF1α is responsible for PGE2’s enhancing effects on HSPCs. Pharmacological inhibition of HIF1α stabilization in vitro with Sodium Nitroprusside (SNP), confirms the requirement of HIF1α for dmPGE2-enhanced migration and CXCR4 upregulation. Additionally, we confirm the requirement for HIF1α in dmPGE2-enhanced in vivo homing using a conditional knockout mouse model of HIF1α gene deletion. Finally, we validate that the hypoxia response element located 1.3kb from the transcriptional start site within the CXCR4 promoter is required for enhanced CXCR4 expression after PGE2 treatment. Interestingly, we also observe an increase in the small GTPase Rac1 after dmPGE2 treatment, as well as a defect in PGE2-enhanced migration and CXCR4 expression in Rac1 knockout HSPCs. Using state-of-the-art imaging technology we, confirm an increase in Rac1 and CXCR4 colocalization after dmPGE2 treatment that likely explains enhanced sensitivity of PGE2-treated HSPCs to SDF-1. Taken together, these results define a precise mechanism through which ex vivo pulse treatment of HSPC with dmPGE2 enhances HSPC function through alterations in cell motility and homing, and describe a role for hypoxia and HIF1α in enhancement of hematopoietic transplantation.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The hematopoietic system is highly proliferative, making hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) sensitive to radiation damage. Total body irradiation and chemotherapy, as well as the risk of radiation accident, create a need for countermeasures that promote recovery of hematopoiesis. Substantive damage to the bone marrow from radiation exposure results in the hematopoietic syndrome of the acute radiation syndrome (HS-ARS), which includes life-threatening neutropenia, lymphocytopenia, thrombocytopenia, and possible death due to infection and/or hemorrhage. Given adequate time to recover, expand, and appropriately differentiate, bone marrow HSPC may overcome HS-ARS and restore homeostasis of the hematopoietic system. Prostaglandin E2 (PGE2) is known to have pleiotropic effects on hematopoiesis, inhibiting apoptosis and promoting self-renewal of hematopoietic stem cells (HSC), while inhibiting hematopoietic progenitor cell (HPC) proliferation. We assessed the radiomitigation potential of modulating PGE2 signaling in a mouse model of HS-ARS. Treatment with the PGE2 analog 16,16 dimethyl PGE2 (dmPGE2) at 24 hours post-irradiation resulted in increased survival of irradiated mice compared to vehicle control, with greater recovery in HPC number and colony-forming potential measured at 30 days post-irradiation. In a sublethal mouse model of irradiation, dmPGE2-treatment at 24 hours post-irradiation is associated with enhanced recovery of HSPC populations compared to vehicle-treated mice. Furthermore, dmPGE2-treatment may also act to promote recovery of the HSC niche through enhancement of osteoblast-supporting megakaryocyte (MK) migration to the endosteal surface of bone. A 2-fold increase in MKs within 40 um of the endosteum of cortical bone was seen at 48 hours post-irradiation in mice treated with dmPGE2 compared to mice treated with vehicle control. Treatment with the non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID) meloxicam abrogated this effect, suggesting an important role for PGE2 signaling in MK migration. In vitro assays support this data, showing that treatment with dmPGE2 increases MK expression of the chemokine receptor CXCR4 and enhances migration to its ligand SDF-1, which is produced by osteoblasts. Our results demonstrate the ability of dmPGE2 to act as an effective radiomitigative agent, promoting recovery of HSPC number and enhancing migration of MKs to the endosteum where they play a valuable role in niche restoration.

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) est le cancer le plus fréquent chez les enfants. Malgré le fait que plus de 80% des enfants atteints de LLA sont aujourd'hui guéris de leur maladie, ce succès a toutefois un prix élevé, car l’exposition aux médicaments cytotoxique et/ou à l’irradiation pendant une période vulnérable du développement de l’enfant peut entraîner des conséquences à long terme. En effet, environ 60% des enfants ayant survécu à une LLA devront vivre avec des problèmes de santé liés au traitement, également appelés effets indésirables tardifs (late-adverse effects, LAEs). Parmi ces derniers, on notera des problèmes métaboliques, l’ostéoporose, une altération des fonctions cognitives ou cardiaques, ainsi que la dépression et l’anxiété. Si certains survivants ne présentent aucune de ces complications, d'autres peuvent en avoir plusieurs. Différents facteurs peuvent contribuer à cette variabilité, notamment le traitement reçu, les caractéristiques de la maladie, les habitudes de vie et, surtout, la constitution génétique du patient. Ce projet s'est concentré sur les biomarqueurs génétiques permettant d'identifier les individus les plus susceptibles de souffrir de LAEs. Récemment, une étude exhaustive (évaluations cliniques, psychosociales et biochimiques) s’est déroulée au CHU Sainte-Justine pour caractériser chacune de ces morbidités chez 250 survivants de la LLA de l'enfant (cohorte PETALE). De plus, on a obtenu le profil génétique de chaque participant. Nous avons utilisé cet ensemble de données et des outils statistiques et bio-informatiques pour réaliser des études d'association comparant la fréquence des variants génétiques chez les survivants ayant développé ou non des LAEs; en particulier, les complications cardiovasculaires et neurocognitives, ainsi que les troubles de l'humeur tels que l'anxiété et la dépression. D'autres facteurs de risque tels que les caractéristiques de traitement et/ou de la leucémie ont été pris en compte lors de l'analyse pour dériver les meilleurs prédicteurs génétiques. Ainsi, en utilisant l'approche des gènes candidats, nous avons identifié les variants communs des gènes MTR, PPARA, ABCC3, CALML5, CACNB2 et PCDHB10 qui étaient associés à des déficits de performance des tests neurocognitifs, tandis que les variants des gènes SLCO1B1 et EPHA5 étaient associés à l'anxiété et à la dépression. Deux variants, rs1805087 dans le gène MTR et rs58225473 dans le gène CACNB2 sont particulièrement intéressants, car ces associations ont été validées dans la cohorte de réplication SJLIFE (St. Jude Children's Research Hospital, Memphis, USA). Les analyses d'association ont été complémentées par une étude d'association à l'échelle de l'exome, qui a identifié plusieurs gènes supplémentaires comme des modulateurs potentiels du risque de développer des complications neurocognitives liées au traitement (gènes AK8 et ZNF382), ainsi que l'anxiété et la dépression (gènes PTPRZ1, MUC16, TNRC6C-AS1, APOL2, C6orf165, EXO5, CYP2W1 et PCMTD1). Le variant rs61732180 du gène ZNF382 a ensuite été validé dans la cohorte de réplication SJLIFE. Également, nous avons effectué des analyses d’association concernant les complications cardiaques liées au traitement qui ont identifié plusieurs nouveaux marqueurs associés à ces complications dans les gènes TTN, NOS1, ABCG2, CBR1, ABCC5, AKR1C3, NOD2 et ZNF267. De plus, nous avons résumé les connaissances actuelles sur les marqueurs pharmacogénomiques qui ont été associés aux effets de cardiotoxicités, induites par les anthracyclines, qui affectent les patients atteints de cancer pédiatrique. Nous avons également inclus un aperçu de l'applicabilité des résultats rapportés, notamment ceux qui ont été validés dans la cohorte PETALE. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés aux complications qui surviennent après une greffe de cellules souches hématopoïétiques. Nous avons appliqué des approches bio-informatiques et statistiques similaires pour obtenir un profil plus complet de la composante génétique derrière ces complications potentiellement mortelles. Ainsi, une étude d'association à l'échelle de l'exome a été réalisée dans une cohorte de patients pédiatriques subissant une greffe de cellules souches hématopoïétiques après un régime de conditionnement contenant du busulfan. Nous avons identifié de nouvelles variations génétiques conférant un risque plus élevé de syndrome d'obstruction sinusoïdale (notamment dans les gènes UGT2B10, BHLHE22, et KIAA1715) et de maladie aiguë du greffon contre l'hôte (dans les gènes ERC1, PLEK, NOP9 et SPRED1), qui pourraient être utiles pour des stratégies personnalisées de prévention et de traitement. Ces travaux contribuent à la compréhension de l'influence des facteurs génétiques sur le risque de développer des complications liées au traitement, tant au cours du traitement qu'à long terme. De plus, les marqueurs génétiques signalés ainsi que d'autres facteurs de risque connus peuvent conduire à des modèles de prédiction identifiant les patients à risque accru de ces complications. / Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common cancer in children. Even though more than 80% of children with ALL are now cured of their disease, this success comes at a high price as exposure to cytotoxic drugs and/or radiation during a vulnerable period of child development may have long-term consequences. In fact, approximately 60% of children who survive ALL will have to live with treatment-related health problems, also called late-adverse effects (LAEs). These include metabolic problems, osteoporosis, impaired cardiac or cognitive functions, as well as depression and anxiety. While some survivors do not have any of these complications, others may have more than one. Different factors can contribute to this variability, in particular, the treatment received, the characteristics of the disease, the lifestyle, and, above all, the genetic makeup of the patient. This project focused on genetic biomarkers capable of identifying the individuals most likely to suffer from LAEs. Recently, an exhaustive study (clinical, psychosocial, and biochemical evaluations) took place at Sainte-Justine University Health Center (Montreal, Canada), with the goal to characterize each of these morbidities in 250 survivors of childhood ALL (PETALE cohort). In addition, the genetic profile of each participant was obtained, and we used statistical and bioinformatics tools to perform association studies on this dataset in order to compare the frequency of genetic variants in survivors with or without LAEs. We evaluated cardiovascular and neurocognitive complications, as well as mood disorders such as anxiety and depression. Other risk factors, such as treatment and/or leukemia characteristics were also considered during the analysis to derive the best genetic predictors. Thus, using the candidate gene approach, we identified common variants in the MTR, PPARA, ABCC3, CALML5, CACNB2, and PCDHB10 genes that were associated with deficits in neurocognitive tests performance, whereas variants in the SLCO1B1 and EPHA5 genes were associated with anxiety and depression. Two variants, rs1805087 in the MTR gene and rs58225473 in the CACNB2 gene, are of particular interest since these associations were validated in an independent SJLIFE replication cohort (St. Jude Children's Research Hospital, Memphis, USA). The association analyses were complemented by an exome-wide association study, which identified several additional genes as potential modulators of the risk of developing treatment-related neurocognitive complications (genes AK8 and ZNF382), as well as anxiety and depression (genes PTPRZ1, MUC16, TNRC6C-AS1, APOL2, C6orf165, EXO5, CYP2W1, and PCMTD1). Variant rs61732180 in the ZNF382 gene was further validated in the replication SJLIFE cohort. To a great extent, we performed association analyses regarding treatment-related cardiac complications which identified several novel markers associated with these toxicities in the TTN, NOS1, ABCG2, CBR1, ABCC5, AKR1C3, NOD2, and ZNF267 genes in survivors of childhood ALL. In addition, we summarized the current knowledge on pharmacogenomic markers related to anthracycline-induced cardiotoxicity affecting pediatric cancer patients. We also included a brief overview of the applicability of reported findings to the PETALE cohort, validating several of them. Besides, we were interested in the complications that arise after a hematopoietic stem cell transplantation. We applied similar bioinformatics and statistical approaches to gain a more complete insight into the genetic component behind these life-threatening complications. Thus, an exome-wide association study was performed in a cohort of pediatric patients undergoing hematopoietic stem cell transplantation following a conditioning regimen containing busulfan. Our results identified new genetic variations conferring a higher risk of sinusoidal obstruction syndrome (notably in the UGT2B10, BHLHE22, and KIAA1715 genes) and acute graft-versus-host disease (ERC1, PLEK, NOP9, and SPRED1 genes), which could be useful for personalized prevention and treatment strategies. This work contributes to the understanding of the influence of genetic factors on the risk of developing treatment-related complications, both during treatment and in the long term. Furthermore, the reported genetic markers along with other known risk factors can lead to prediction models identifying patients at increased risk for these complications.