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Liver macrophages (LMs) play a central role in acute and chronic liver pathologies. Investigation of these processes in humans as well as the development of diagnostic tools and new therapeutic strategies require in vitro models that closely resemble the in vivo situation. In our study, we sought to gain further insight into the role of LMs in different liver pathologies and into their characteristics after isolation from liver tissue. For this purpose, LMs were characterized in human liver tissue sections using immunohistochemistry and bioinformatic image analysis. Isolated cells were characterized in suspension using FACS analyses and in culture using immunofluorescence staining and laser scanning microscopy as well as functional assays. The majority of our investigated liver tissues were characterized by anti-inflammatory LMs which showed a homogeneous distribution and increased cell numbers in correlation with chronic liver injuries. In contrast, pro-inflammatory LMs appeared as temporary and locally restricted reactions. Detailed characterization of isolated macrophages revealed a complex disease dependent pattern of LMs consisting of pro- and anti-inflammatory macrophages of different origins, regulatory macrophages and monocytes. Our study showed that in most cases the macrophage pattern can be transferred in adherent cultures. The observed exceptions were restricted to LMs with pro-inflammatory characteristics.

The pathogenesis of inflammatory liver diseases and development of liver fibrosis involves hepatocytes as well as non-parenchymal liver cells like resident liver macrophages (Kupffer cells (KC)), Stellate cells and endothelial cells. Kupffer cells play a critical role in liver (patho)physiology and in the defense of the liver during inflammation. They constitute about 50% of non-parenchymal cells and are the largest population of tissues macrophages in the body. Infections, toxins (lipopolysacharide (LPS)), parenchymal damage and stresses stimulate the inflammatory response of Kupffer cells with the following secretion of bioactive factors, cytotoxicity, antigen processing, etc. Resident liver macrophages are the main producers of inflammatory mediators in the liver. Among them there are prostanoids (prostaglandin (PG) E2 and thromboxane (Tx) A2), cytokines (e.g. interleukin (IL)-1,-6, -10, tumor necrosis factor (TNF) α) and inorganic mediators like nitric oxide (NO). Macrophages-derived products play opposing roles in the development of liver fibrogenesis: IL-1β, TNFα, IL-6, transforming growth factor (TGF)-β and TxA2 (pro-fibrogenic mediators) promote whereas PGE2, IL-10 and nitric oxide (anti-fibrogenic mediators) suppress liver fibrogenesis. The present study shows the production of PGE2 and TxA2 by resident liver macrophages upon prolonged activation by LPS and the characterization of biosynthesis pathways. The production of PGE2 and TxA2 is followed during 24 h after stimulation of macrophages with LPS. The involvement of enzymes is measured on the RNA level (RT-PCR), protein level (Western blot analysis) and activity (activity assays), respectively. The amounts of released prostanoids are measured at time points 2, 4, 8 and 24 h after LPS stimulation. The production of PGE2 is very low without stimulation, shows a delay within the first few hours after stimulation with LPS, and thereafter linearly increases up to 24 h. TxA2 production is very low without stimulation, and increases without a time-delay after the addition of LPS. Prostanoid biosynthesis is inhibited by dexamethasone. The present study shows the involvement and regulation of the AA cascade by the following enzymes: cPLA2: is expressed in resting Kupffer cells; cPLA2 expression and phosphorylation is increased by LPS, dexamethasone suppresses the LPS effect, localization in membrane fraction. COX-1: is expressed in resting Kupffer cells; COX-1 expression is not influenced by LPS and dexamethasone. The COX-1 inhibitor SC560 suppresses the LPS-induced production of PGE2 and TxA2 (8h and 24h), localization predominantly in membrane fraction. COX-2: is almost not expressed in resting Kupffer cells; COX-2 expression is highly increased by LPS, dexamethasone suppresses the LPS effect. The COX-2 inhibitor SC236 inhibits the production of PGE2 and TxA2 at 8h by about 77% and 20%, and at 24h by about 42% and 34%, respectively, localization predominantly in membrane fraction. mPGES-1: is almost not expressed in resting cells; mPGES-1 expression is highly increased by LPS, dexamethasone suppresses the LPS effect, localization in membrane fraction. mPGES-2: is expressed in resting Kupffer cells; mPGES-2 expression is slightly increased by LPS, localization predominantly in membrane fraction. cPGES: is expressed in resting Kupffer cells; LPS has no effect, localization predominantly in soluble fraction. TxA2 synthase: is expressed in resting Kupffer cells; LPS and dexamethasone have no effect, localization predominantly in membrane fraction. Treatment of Kupffer cells with IL-1ß and TNF-α leads to an enhanced release of PGE2 and TxA2 and upregulate the expression of cPLA2, COX-2 and mPGES-1. IL-6 has no effect on prostanoid production. In contrast, IL-10 suppresses the LPS-induced production of PGE2 and TxA2 and expression of cPLA2, COX-2 and mPGES-1. Resting Kupffer cells release very low amounts of NO and do not express iNOS, nNOS and eNOS. LPS, TNF-α and IL-1ß upregulate NO release and the expression of iNOS whereas dexamethasone and IL-10 downregulate NO release and the expression of iNOS. PGE2 suppresses the LPS-induced release of NO but enhances the cytokine-induced release of NO. NO induces a release of PGE2. Thus, the study demonstrates a crosstalk between prostanoids, nitric oxide and cytokines in Kupffer cells under inflammatory conditions and demonstrates a possible anti-fibrogenic effect of PGE2 in the process of liver fibrogenesis.

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Aujourd’hui, la transplantation est le seul traitement efficace proposé aux patients souffrant d’une insuffisance hépatique fulminante. La nécessité de disposer d’un système de suppléance hépatique transitoire apparaît donc indispensable. C’est dans cet axe que se sont développés les systèmes qualifiés de foies bio artificiels (BAL). Leur principale caractéristique est d’incorporer un bioréacteur hébergeant des cellules pouvant restaurer l’activité hépatiques dans son ensemble. A l’heure actuelle, les hépatocytes primaire humains (HEP) issus de foies de donneurs non transplantables sont considérées comme le meilleur choix. Cependant, leur utilisation reste limitée par leur faible disponibilité et la difficulté à les maintenir différenciés en culture in vitro. Pour remédier à ce dernier point, l’approche la plus prometteuse semble être une co-culture des hépatocytes avec les cellules non parenchymateuses afin de recréer un environnement proche des sinusoïdes hépatiques. Ce travail de thèse repose sur la mise en place d’une nouvelle approche de co-culture tridimensionnelle sous la forme de sphéroïdes, d’HEP primaires avec les principaux types de cellules non-parenchymateuses (les cellules de Kupffer, les cellules endothéliales et les cellules étoilées) selon des proportions spécifiques. Puis de leurs encapsulations dans des billes d’alginate et leurs cultures au sein d’un bioréacteur à lit fluidisé. Ce modèle s’est révélé pertinent et approprié à maintenir les fonctions hépatiques dans le temps. Bien que beaucoup d’optimisation reste à définir, ce travail exploratoire témoigne de l’intérêt de cette approche intéressante pour le progrès des systèmes BAL. / Liver shortage makes transplantation inapplicable to all acute liver failure patients. Bioartificial Iiver (BAL) devices represent a temporary solution for these patients which are thereby bridged tilt Iiver transplantation or regeneration BAL treatment offers blood purification and substitution of metabolic functions through the activity of hepatocytes (HEPs), which are integrated in the device within acclimating containers, so-called bioreactors. Primary human hepatocytes are the ideal cell type to use in BAL, but they are scarcely available and difficult to maintain in vitro. Co-culture of HEPs with supporting cells has been proposed as the most promising strategy for preserving HEP behaviors in in vitro conditions. In fact, assisting cells types hold their ability to influence functional responses of the HEPs by providing them with cues of the native organ.This PhD work proposed a novel approach of co-culture for the functional sustain and preservation of the HEPs in the environment of the fluidized bed bioreactor (designed in our Iaboratory). Definition of this model took inspiration from the cellular organization in the organ; therefore, it employed three major sinusoidal non-parenchymal cell populations (liver sinusoidal, Kupffer, and hepatic stellate cells) which, together with HEPs, were cultured with three-dimensional arrangement (spheroids) and according to specific proportions. The resulting model was characterized in terms of functional benefits for the HEPs, and then applied in the microenvironment of alginate beads, which provide cells with immunological and mechanical protection in the fluidized bed bioreactor. This spheroidal multi-cultured model revealed its potentiality in sustaining in vitro HEP behaviors over time. Although much remains to be refined, this model may represent an interesting approach for the progress of BAL

Les cils motiles et statiques jouent d’importants rôles dans la détermination de l’axe gauche-droite (GD) qui, en général, est mis en place par l’intermédiaire de flux directionnels générés dans des structures spécialisées appelées organisateurs gauche-droite (OGD). C’est ce point clé du développement qui dictera une organogenèse asymétrique. Dans mon projet de thèse, nous avons développé une méthode, appelée 3D-Cilia Map, et analysé l’organisation tridimensionnelle de l’implantation des cils afin d’extraire les paramètres clés responsables de la mise en place du flux directionnel et par conséquent de l’asymétrie GD. En résumé, nos résultats suggèrent qu’un mécanisme de signalisation chimique serait le plus plausible pour induire la rupture de la symétrie GD. Plus tard, les cellules réguleront intrinsèquement l’orientation asymétrique des cils à leur surface. Le travail présenté ici contribue de façon importante à nos connaissances actuelles concernant le comportement des cils et les mécanismes de sensation des flux dans l’établissement de l’axe gauche droite au sein de l’organisateur gauche-droite du poisson zèbre. / Both motile and immotile cilia play important roles in left-right (LR) axis determination, which generally involves cilia-mediated directional flows in organized structures (LR organizers, LRO) in which the LR symmetry is broken, thus driving asymmetric organogenesis in the developing embryos. In my PhD project we aimed to developed a method (3D-Cilia Map) and analyze the three-dimensional organization of ciliary implantation in order to extract the key parameters modulating the directional flow involved in breaking the axis of symmetry in the zebra fish LRO. Altogether, our results suggest the initial mechanism to break the LR symmetry is most likely to be based on the transport of achemical signal, while later, cells intrinsically provide their cilia the cues to orient asymmetrically. The work presented here represents an important contribution to our current understanding of cilia behaviors and flow-sensing mechanisms in the establishment of the left-right axis in the zebra fish LRO.

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Le virus de l’hépatite murine de type 3 (MHV3) est un excellent modèle animal pour l’étude des différents désordres immunologiques lors d’infections virales. L’hépatite aiguë fulminante induite par ce virus chez la souris susceptible C57BL/6 se caractérise par la présence de plusieurs foyers nécrotiques et inflammatoires dans le foie associée à une immunodéficience en lymphocytes B et T, tuant les souris entre 3 et 5 jours post-infection. L’évolution rapide de cette maladie virale suggère un débalancement dans les mécanismes de l’immunité naturelle sous le contrôle des cellules NK et NK-T et un bris de l’équilibre entre la tolérance hépatique et la réponse inflammatoire. Afin d’élucider les rôles respectifs des différents mécanismes de la défense innée impliqués dans le développement de l’hépatite aiguë, des infections in vivo ont été réalisées chez des souris C57BL/6 avec la souche pathogène L2-MHV3 ou avec des variants du virus MHV3. Ces derniers possèdent des tropismes différents pour les cellules endothéliales sinusoïdales hépatiques et les cellules de Kupffer, tels que les virus faiblement atténué 51.6-MHV3, fortement atténué CL12-MHV3 et non pathogène YAC-MHV3. Ces études in vivo ont montré une diminution des cellules NK spléniques et myéloïdes suite à une infection avec le virus MHV3. Cette chute en cellules NK spléniques reflète un recrutement de ces cellules au niveau du foie. Par contre, les cellules NK se sont avérées permissives à la réplication virale entraînant un processus d’apoptose suite à la formation de syncétia induits par le virus. Les niveaux de recrutement et d’apoptose des cellules NK et NK-T dans le foie reflètent la pathogénicité des variants MHV3 durant les trois premiers jours de l’infection virale bien que les cellules NK recrutées au niveau du foie maintiennent leur activité cytotoxique. L’ajout des IL-12 et IL-18, qui sont normalement diminués lors de l’hépatite aiguë, provoque une production synergique d’IFN-g par les cellules NK, résultant d’une interaction entre l’activation de la voie p38 MAPK et la réplication virale. Par ailleurs, le récepteur viral CEACAM1a (carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1a) serait essentiel à cette synergie, mais exercerait aussi une action inhibitrice dans la production de l’IFN-g. D’autre part, les niveaux de production des cytokines immunosuppressives IL-10, TGF-b et PGE2, impliquées dans la tolérance hépatique et particulièrement produites par les cellules de Kupffer et les cellules endothéliales sinusoïdales, sont en relation inverse avec le degré de pathogénicité des variants du virus MHV3. Finalement, le virus pathogène L2-MHV3 déclenche la production de cytokines inflammatoires par les macrophages, tels que l’IL-6 et le TNF-a. L’induction de ces cytokines par les macrophages serait indépendante de la présence de la molécule CEACAM1a. Cette stimulation est plutôt reliée à la fixation des particules virales sur des récepteurs TLR2, en association avec les régions riches en héparanes sulfates. Tous ces résultats mettent en évidence de nouveaux mécanismes par lesquels le virus MHV3 peut diminuer l’efficacité des mécanismes de l’immunité naturelle sous le contrôle des cellules NK et NK-T intrahépatiques, suite à une stimulation de l’inflammation résultant du bris de la tolérance hépatique. / Mouse hepatitis virus type 3 (MHV3) is an excellent model to study immunological disorders related to viral infections. The fulminant acute hepatitis induced in susceptible C57BL/6 mice is characterized by the presence of necrotic and inflammatory foci in the liver associated with B and T cell immunodeficiencies leading to the death of the animals in 3 to 5 days post-infection. The fulminance of this viral infection suggests a deficiency in the natural immunity mechanisms under control of NK and NK-T cells and an imbalance between the hepatic tolerance and the inflammatory responses. To understand the different mechanisms involved in the acute hepatitis, in vivo infections have been done in C57BL/6 mice with either the pathogenic L2-MHV3, or with its attenuated variants: the weak attenuated 51.6-MHV3, the highly attenuated CL12-MHV3 or the non-pathogenic YAC-MHV3 viruses, possessing different tropisms for liver sinusoidal endothelial cells and Kupffer cells. The results demonstrate that splenic and myeloid NK cells are impaired during a MHV3 infection. This impairment is due to a recruitment of these cells in the liver and a virus-induced apoptotic phenomenon. The recruitment and the subsequent apoptosis of NK and NK-T cells during the first three days of infection are in relation with the pathogenicity of the MHV3 variants. In spite of the fact that hepatic recruited NK cells are still cytotoxic, these cells undergo apoptosis due to viral replication via the formation of syncytia. Addition of IL-12 and IL-18, which are impaired during the acute hepatitis, promote a synergistic IFN-g production by NK cells depending of both the p38 MAPK pathway and the viral replication. Moreover, the specific viral receptor CEACAM1a (carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1a) is essential for this response but also exerts an inhibitory action. Levels of the immunosuppressive cytokines IL-10, TGF-b and PGE2, mainly produced by Kupffer cells and sinusoidal endothelial cells, and implicated in the natural hepatic tolerance, are in inverse correlation with the pathogenicity of the MHV3 variants. Finally, viral infection promotes the secretion of IL-6 and TNF-a by macrophages, triggered by the fixation of viral particules to TLR2 and heparan sulfate receptors rather than the engagement of CEACAM1a receptor and viral replication. In conclusion, our results suggest new mechanisms by which the MHV3 virus disturbs the innate immunity under control of NK and NK-T cells, as well as the cytokines involved in the hepatic tolerance to the detriment of the inflammatory response.

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Le virus de l’hépatite murine de type 3 (MHV3) est un excellent modèle animal pour l’étude des différents désordres immunologiques lors d’infections virales. L’hépatite aiguë fulminante induite par ce virus chez la souris susceptible C57BL/6 se caractérise par la présence de plusieurs foyers nécrotiques et inflammatoires dans le foie associée à une immunodéficience en lymphocytes B et T, tuant les souris entre 3 et 5 jours post-infection. L’évolution rapide de cette maladie virale suggère un débalancement dans les mécanismes de l’immunité naturelle sous le contrôle des cellules NK et NK-T et un bris de l’équilibre entre la tolérance hépatique et la réponse inflammatoire. Afin d’élucider les rôles respectifs des différents mécanismes de la défense innée impliqués dans le développement de l’hépatite aiguë, des infections in vivo ont été réalisées chez des souris C57BL/6 avec la souche pathogène L2-MHV3 ou avec des variants du virus MHV3. Ces derniers possèdent des tropismes différents pour les cellules endothéliales sinusoïdales hépatiques et les cellules de Kupffer, tels que les virus faiblement atténué 51.6-MHV3, fortement atténué CL12-MHV3 et non pathogène YAC-MHV3. Ces études in vivo ont montré une diminution des cellules NK spléniques et myéloïdes suite à une infection avec le virus MHV3. Cette chute en cellules NK spléniques reflète un recrutement de ces cellules au niveau du foie. Par contre, les cellules NK se sont avérées permissives à la réplication virale entraînant un processus d’apoptose suite à la formation de syncétia induits par le virus. Les niveaux de recrutement et d’apoptose des cellules NK et NK-T dans le foie reflètent la pathogénicité des variants MHV3 durant les trois premiers jours de l’infection virale bien que les cellules NK recrutées au niveau du foie maintiennent leur activité cytotoxique. L’ajout des IL-12 et IL-18, qui sont normalement diminués lors de l’hépatite aiguë, provoque une production synergique d’IFN-g par les cellules NK, résultant d’une interaction entre l’activation de la voie p38 MAPK et la réplication virale. Par ailleurs, le récepteur viral CEACAM1a (carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1a) serait essentiel à cette synergie, mais exercerait aussi une action inhibitrice dans la production de l’IFN-g. D’autre part, les niveaux de production des cytokines immunosuppressives IL-10, TGF-b et PGE2, impliquées dans la tolérance hépatique et particulièrement produites par les cellules de Kupffer et les cellules endothéliales sinusoïdales, sont en relation inverse avec le degré de pathogénicité des variants du virus MHV3. Finalement, le virus pathogène L2-MHV3 déclenche la production de cytokines inflammatoires par les macrophages, tels que l’IL-6 et le TNF-a. L’induction de ces cytokines par les macrophages serait indépendante de la présence de la molécule CEACAM1a. Cette stimulation est plutôt reliée à la fixation des particules virales sur des récepteurs TLR2, en association avec les régions riches en héparanes sulfates. Tous ces résultats mettent en évidence de nouveaux mécanismes par lesquels le virus MHV3 peut diminuer l’efficacité des mécanismes de l’immunité naturelle sous le contrôle des cellules NK et NK-T intrahépatiques, suite à une stimulation de l’inflammation résultant du bris de la tolérance hépatique. / Mouse hepatitis virus type 3 (MHV3) is an excellent model to study immunological disorders related to viral infections. The fulminant acute hepatitis induced in susceptible C57BL/6 mice is characterized by the presence of necrotic and inflammatory foci in the liver associated with B and T cell immunodeficiencies leading to the death of the animals in 3 to 5 days post-infection. The fulminance of this viral infection suggests a deficiency in the natural immunity mechanisms under control of NK and NK-T cells and an imbalance between the hepatic tolerance and the inflammatory responses. To understand the different mechanisms involved in the acute hepatitis, in vivo infections have been done in C57BL/6 mice with either the pathogenic L2-MHV3, or with its attenuated variants: the weak attenuated 51.6-MHV3, the highly attenuated CL12-MHV3 or the non-pathogenic YAC-MHV3 viruses, possessing different tropisms for liver sinusoidal endothelial cells and Kupffer cells. The results demonstrate that splenic and myeloid NK cells are impaired during a MHV3 infection. This impairment is due to a recruitment of these cells in the liver and a virus-induced apoptotic phenomenon. The recruitment and the subsequent apoptosis of NK and NK-T cells during the first three days of infection are in relation with the pathogenicity of the MHV3 variants. In spite of the fact that hepatic recruited NK cells are still cytotoxic, these cells undergo apoptosis due to viral replication via the formation of syncytia. Addition of IL-12 and IL-18, which are impaired during the acute hepatitis, promote a synergistic IFN-g production by NK cells depending of both the p38 MAPK pathway and the viral replication. Moreover, the specific viral receptor CEACAM1a (carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule 1a) is essential for this response but also exerts an inhibitory action. Levels of the immunosuppressive cytokines IL-10, TGF-b and PGE2, mainly produced by Kupffer cells and sinusoidal endothelial cells, and implicated in the natural hepatic tolerance, are in inverse correlation with the pathogenicity of the MHV3 variants. Finally, viral infection promotes the secretion of IL-6 and TNF-a by macrophages, triggered by the fixation of viral particules to TLR2 and heparan sulfate receptors rather than the engagement of CEACAM1a receptor and viral replication. In conclusion, our results suggest new mechanisms by which the MHV3 virus disturbs the innate immunity under control of NK and NK-T cells, as well as the cytokines involved in the hepatic tolerance to the detriment of the inflammatory response.