Trois aspects principaux de l'imagerie fonctionnelle corps entier dans les hémopathies lymphoïdes ont été étudiés dans ma thèse. Nous avons d'abord démontré en étudiant 92 patients avec un lymphome B à grandes cellules que 14 patients (15%) considérés positifs sur l'analyse visuelle du FDG-TEP après deux cycles de chimiothérapie, auraient pu être reclassés comme des bons répondeurs si le pourcentage de réduction du SUVmax avait été mesuré. Dans un sous groupe de 80 patients, une deuxième étude a permis de montrer qu'après 4 cycles, l'analyse visuelle et l'analyse semi-quantitative SUV étaient équivalentes. Nous avons ensuite développé un protocole d'IRM fonctionnelle corps entier, utilisant une injection dynamique de Gadolinium et 5 stations d'acquisition. Cela a permis de mesurer les courbes signal-temps du rehaussement de la moelle osseuse et des lésions focales. Notre étude a permis d'optimiser un protocole d'imagerie dynamique corps entier après injection de Gadolinium, et de montrer que nous avions pu explorer avec succès 21 patients présentant un myélome multiple sous traitement, nous avons montré que cette nouvelle méthode d'IRM fonctionnelle corps entier avec injection de Gadolinium pouvait être utilisée pour évaluer la réponse du traitement. De plus, cette technique a aidé à détecter les lésions résiduelles actives de myélome après traitement alors qu'aucun signe clinique ou une immunoglobine monoclonale minime n'était présent. Le troisième aspect a été d'optimiser un protocole d'IRM fonctionnelle corps entier utilisant l'imagerie de diffusion avec asservissement respiratoire. Le but est de pouvoir mesurer le coefficient de diffusion apprent des lésions disséminées. L'étude pilote a été réalisée chez 15 patients avec un lymphome B à grandes cellules avant traitement. Nous avons aussi pu montrer les changements d'ADC après 4 cycles de chimiothérapie en considérant l'imagerie FDG-TEP/scanner comme imagerie de référence / Three components regarding whole-body functional imaging in lymphoid malignancies have been studies in this thesis. We first demonstrated retrospectively in a series of 92 patients with diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) that 14 patients (15%) considered as positive on visual analysis on FDG-PET after only 2 cycles of chemotherapy could have been correctly re-classified as good responders by measuring the percentage reduction of maximum standardized uptake value (SUVmax); in a subgroup of 80 patients, SUV-based assessment was equivalent to visual analysis at 4 cycles for patient outcome prediction. We secondly developed a whole-body 5-station dynamic contrast- enhanced MR protocol and time-signal intensity curves for the bone marrow and the focal lesions were successfully obtaines in 21 patients with plasma cell disorders included in the feasibility study; later in a pilot prospective study with 30 patients with multiple myeloma who received systemic therapy, we showed that this novel whole-body functional MR technique can be used to assess treatment response and helps to delect residual active disease after completion of therapy when clinically no or only minimum monoclonal protein can be identified. We thirdly optimized a whole-body diffusion-weighted MR protocol with respiratory gating in order to determine apparent diffusion coefficient (ADC) value on a whole-body scale. Pilot study was performed in 15 patients with DLBCL for both staging and response assessment at 4 cycles of chemotherapy, with FDG PET/CT as the standard of reference

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.

L’allogreffe des cellules souches hématopoïétiques (CSH) dans les situations d’incompatibilité HLA partielle représente une option thérapeutique irremplaçable pour des patients nécessitant une greffe de cellules souches hématopoïétiques, en absence d’un donneur HLA-identique. Toutefois, le retard de la restauration du système immunitaire en particulier dans du compartiment lymphocytaire après greffe est l'une des complications majeures. Une nouvelle stratégie pour promouvoir la reprise de la thymopoïèse à partir des CSH provenant du donneur et d'accélérer la reconstitution cellulaire T chez des patients après greffe de CSH consiste en le transfert adoptif des progéniteurs T générés in vitro. L’identification de Notch1 comme le régulateur-clé du développement lymphocytaire T a permis l’établissement de systèmes de culture à base de ligands de Notch, qui permettent la génération efficace de progéniteurs lymphoïdes T in vitro. L'efficacité des progeniteurs T-lymphoïdes murins pour promouvoir la reconstitution des lymphocytes T a été bien démontrée dans des modèles de greffe chez la souris. De même, des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains générés in vitro et greffés aux souris humanisées favorisent la reprise de la thymopoïèse. Pourtant, aucune donnée n’a encore démontré leur capacité à donner naissance à un compartiment lymphocytaire T périphérique. De plus, les systèmes de co-culture à base de ligand de Notch actuellement utilisés consistent en des lignées stromales murines génétiquement modifiées. Afin d'établir un système cliniquement applicable, il est donc indispensable d’établir des systèmes de culture qui soutiennent la génération de progéniteurs T en absence d’un support des cellules nourricières. Au cours de mon projet de thèse, j'ai développé un nouveau système de culture pour la génération des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains T basé sur l’immobilisation du ligand de Notch Delta-like-4 (DL-4) sous sa forme protéique. La culture des progéniteurs hématopoïétiques CD34+ issue de sang en présence de DL-4 immobilisé permet la génération d’un grand nombre de cellules ayant un phénotype de progéniteurs thymiques précoces (early thymic progenitor: ETP) et de prothymocytes (proT). Les cellules ETP et ProT ainsi générées expriment à des niveaux élevés des gènes impliqués dans le développement lymphocytaire précoce (i.e. pTa, Rag1, IL7Ra et BCL11b). Elles montrent des signes de réarrangement du récepteur des cellules T (TCR) similaires à leurs homologues thymiques. Par des expériences de dilution limite sur une co-culture OP9/DL-1 secondaire, j’ai pu montrer que les progéniteurs générés sur DL-4 possédaient un potentiel lymphoïde T très augmenté, qui pourrait être entièrement attribué aux sous populations ETP et ProT. Suite à leur transfert dans des souris NOD/SCID/γc-/-, les progéniteurs lymphoïde T générés par exposition a DL-4 sont capable de migrer dans le thymus, d’y poursuivre des étapes ultérieures de leur développement et d’accélérer la différentiation T intra thymique ainsi que l’émergence des lymphocytes T mature, polyclonaux et fonctionnels en périphérie. Dans une approche de co-transplantation, qui se rapproche des conditions cliniques envisagées, j’ai simultanément injecté dans le même récipient des progéniteurs générées sur DL-4 et des cellules CD34+ non traitées (d’un 2èm donneur HLA-incompatible). Cette procédure a permis une reconstitution des lymphocytes T encore plus rapide et plus. Etant donné que les progéniteurs T générées sur DL-4 et les cellules CD34+ non-traitées étaient issue de deux donneurs avec un HLA différent, cette expérience a permis de montrer que les progéniteurs préalablement exposés à DL-4 reconstituaient spécifiquement les compartiments lymphoïdes T alors que les autres lignées hématopoïétiques provenaient des progéniteurs CD34+ non-traités... / Human leukocyte antigen (HLA)-mismatched haematopoietic stem cell transplantation (HSCT) represents an important therapeutic option for patients lacking suitable donors. Delayed posttransplant immune recovery constitutes one of its major complications and is most pronounced in the T cellular compartment. A novel strategy to promote de novo thymopoiesis from donor derived HSCs and to accelerate T cellular reconstitution in patients after HSCT consists in the adoptive transfer of in vitro generated T cell progenitor cells. Identification of Notch1 as the key regulator of early T-lineage development has allowed the generation of Notch ligand-based culture systems, which provide a powerful tool to generate T-lymphoid progenitors in vitro. The efficacy of murine T-lymphoid progenitors to promote T cell reconstitution has been well demonstrated in conventional mouse models. In consistency, in vitro-generated human T cell progenitors were demonstrated to promote thymic recovery in humanized mice. Yet, positive effects of in vitro generated human T cell precursors on peripheral T cell reconstitution have not been demonstrated. Moreover currently used Notch-based co-culture systems consist of genetically modified murine cell lines. With view to establishing a clinically applicable system, feeder-cell-free Notch-ligand culture systems for the generation of T-lymphopoietic progenitors are warranted. During my PhD project I developed a new culture system based on the immobilized Notch ligand Delta-like-4 (DL-4). Exposure of human CD34+ cord blood cells to immobilized DL-4 enabled the in vitro generation of high number of T cell progenitors, which harboured the phenotype of immature early thymic progenitor cells (ETP) and prothymocytes (proT). ETP and proT cell generated during DL-4 culture upregulated essential genes involved in early T-lymphoid development (i.e. IL7Rα, PTα, RAG1 and BCL11b) and had undergone stage-specific recombination of the T cell receptor (TCR) locus in a similar way as in native human thymopoiesis. In limiting dilution analysis after secondary OP9/DL-1 co-culture, DL-4 progenitors displayed a highly increased T-lymphoid potential, which could be entirely attributed to the ETP and proT subset. When transferred into NOD/SCID/γc-/- mice, DL-4 primed T cell progenitors migrated to the thymus and accelerated intrathymic T cell differentiation and emergence of functional, mature and polyclonal αβ T cells in the periphery. In a co-transplantation approach, which more closely mimics a clinical setting, DL-4 progenitors and untreated CD34+ cells from HLA-disparate donors were simultaneously injected in the same recipient. This procedure allowed even more rapid and more robust T cell reconstitution. HLA-tracking of the distinct graft sources further showed, that DL-4 progenitors specifically reconstituted the T-lymphoid compartments. This work provides further evidence for the ability of in vitro-generated human T cell progenitors to promote de novo thymopoiesis and shows for the first time, that these cells accelerate peripheral T cell reconstitution in humanized mice. The availability of the efficient feeder-cell-free DL-4 culture technique represents an important step towards the future clinical exploitation translation of in vitro generated T-lymphoid progenitor cells to improve posttransplant immune reconstitution / Die Wiederherstellung der T-lymphozytären Immunität nach T-Zell depletierter hämatopoetischer Stammzelltransplantation (HSZT) ist ein langwieriger Prozess. Eine potentielle Strategie zur Beschleunigung der Neubildung von T-Zellen aus den transplantierten Stammzellen besteht in der Gabe von T-lymphozytären Vorläuferzellen. Die Entdeckung von Notch1 als wichtigster Regulator der frühen T-Zell-Entwicklung hat zur Etablierung Notchligand-basierter Zellkulturen geführt, mit deren Hilfe T-lymphoide Vorläuferzellen aus hämatopoetischen Stammzellen in vitro gebildet werden können. Das therapeutische Potential dieses Zelltyps wurde eindrucksvoll in konventionellen, syngenen und allogenen Maustransplantationsmodellen belegt, in denen nach Injektion in vitro generierter, muriner T-Vorläuferzellen eine Verbesserung der Neubesiedlung des Thymus sowie eine beschleunigte Wiederherstellung der T-zellulären Immunität erreicht werden konnte. Notchbasierte Co-Kultursysteme wurden ebenfalls für die invitro Herstellung humaner T-lymphoider Vorläuferzellen verwendet. Das in-vivo Potential humaner T Vorläuferzellen ist bislang jedoch nur lückenhaft charakterisiert: Zwar konnte gezeigt werden, dass humane T-Vorläuferzellen den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln können. Ihre Wirksamkeit, die Wiederherstellung eines funktionellen, peripheren T-Zellkompartiments zu beschleunigen, gelang bislang jedoch nicht. Darüber hinaus werden Notchliganden in derzeit verwendeten Kultursystemen von genetisch modifizierten, murinen Stromazellen präsentiert. Die Entwicklung stromazellfreier, proteinbasierter Notchligand-Kultursysteme ist daher von grosser Bedeutung für eine mögliche therapeutische Nutzung in vitro generierter T-Vorläuferzellen. Durch Immobilisierung von Notchligand Delta-like 4 (DL-4) habe ich im Rahmen meines PhD Projekts ein stromazellfreies Kultursystem zur Züchtung T-zellulärer Vorläuferzellen aus humanen CD34+ Nabelschnurblutzellen etabliert. In DL-4 Kultur generierte Zellen besitzen phänotypische und molekulare Eigenschaften von frühen thymischen Vorläuferzellen (ETP) und Prothymocyten (proT). ETP und proT Zellen aus DL-4 Kulturen exprimieren wesentliche Geneder frühen T-Zellentstehung (z.B. IL7Ra, PTa, RAG1 und BCL11b). Die entwicklungsstadiumspezifischen TCR-Rekombinationsprozesse in DL-4 Zellen erfolgen nach dem gleichen Muster wie in der nativen Thymusentstehung. Die in DL4 Kultur generierten T-Vorläuferzellen können sich in reife T-Zellen weiterentwickeln und durchlaufen die weitere T-Zelldifferenzierung innerhalb kürzerer Zeit als native CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen. 13 Darüber hinaus können DL-4 generierte T-Vorläuferzellen nach Xenotransplantation den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln, intrathymische T-Zellentwicklung begünstigen und die Neubildung reifer und funktionaler TZellen in der Peripherie beschleunigen. Zur Simulation einer klinischen Anwendung führte ich weiterhin Co-Transplantationen mit DL-4 Vorläuferzellen und unbehandelten CD34+ Zellen in gleiche Empfänger durch und konnte hiermit eine weitere Verbesserung der Immunrekonstitution erzielen. Durch Verwendung HLA-divergenter Spender in diesen Versuchen konnte ich zeigen, dass DL-4 Zellen sich vornehmlich in T-Zellen weiterentwickelten, während die restlichen Blutzellreihen von unbehandelten CD34-poitiven Zellen gebildet wurden. Im Rahmen dieses Projekts konnte ich mit einem für die klinische Anwendung geeigneten Kulturmodell wichtige präklinische Belege für das therapeutische Potential in vitro generierter TVorläuferzellen erbringen. Diese Arbeit bildet somit eine wichtige Grundlage für eine zukünftige klinische Anwendung von T-Vorläuferzellen zur Verbesserung der T-Zell-Immunität nach HSZT