Mechanisms of interaction of therapeutic nanoparticles with cells

Nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest in recent years due to their huge potential for applications in industry and medicine. Their unique properties offer a large number of attractive possibilities in the biomedical field, providing innovative tools for diagnosis of diseases and for novel therapies. Nevertheless, a deep understanding of their interactions with living tissues and the knowledge about their possible effects in the human body are necessary for the safe use of nanoparticulate formulations. The aim of this PhD project was to study in detail the interactions of therapeutic NPs with living cells, including cellular uptake and release, cellular localization and transport across the cell layers. Moreover, the effects of NPs on the cellular metabolic processes were determined using adapted in vitro assays. We evaluated the biological effect of several NPs potentially used in the biomedical field, including titanium dioxide (Ti02) NPs, 2-sized fluorescent silica NPs, ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) NPs, either uncoated or coated with oleic acid or with polyvinylamine (aminoPVA) and poly(lactic-co-glycolic acid) - polyethylene-oxide (PLGA-PEO) NPs. We have found that the NPs were internalized by the cells, depending on their size, chemical composition, surface coating and also depending on the cell line considered. The uptake of aminoPVA-coated USPIO NPs by endothelial cells was enhanced in the presence of an external magnetic field. None of the tested USPIO NPs and silica NPs was transported across confluent kidney cell layers or brain endothelial cell layers, even in the presence of a magnetic field. However, in an original endothelium-glioblastoma barrier model which was developed, uncoated USPIO NPs were directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells. Following uptake, Ti02 NPs and uncoated USPIO NPs were released by the kidney cells, but not by the endothelial cells. Furthermore, these NPs induced an oxidative stress and autophagy in brain endothelial cells, possibly associated with their enhanced agglomeration in cell medium. A significant DNA damage was found in brain endothelial cells after their exposure to TiO2NPs. Altogether these results extend the existing knowledge about the effects of NPs on living cells with regard to their physicochemical characteristics and provide interesting tools for further investigation. The development of the in vitro toxicological assays with a special consideration for risk evaluation aims to reduce the use of animal experiments. -Les nanoparticules (NPs) présentent beaucoup d'intérêt dans le domaine biomédical et industriel. Leurs propriétés uniques offrent un grand nombre de possibilités de solutions innovantes pour le diagnostique et la thérapie. Cependant, pour un usage sûr des NPs il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des mécanismes d'interactions des NPs avec les tissus vivants et de leur effets sur le corps humain. Le but de ce projet de thèse était d'étudier en détail les mécanismes d'interactions de NPs thérapeutiques avec des cellules vivantes, en particulier les mécanismes d'internalisation cellulaire et leur subséquente sécrétion par les cellules, leur localisation cellulaire, leur transport à travers des couches cellulaires, et l'évaluation des effets de NPs sur le métabolisme cellulaire, en adaptant les méthodes existante d'évaluation cyto-toxico logique s in vitro. Pour ces expériences, les effets biologiques de nanoparticules d'intérêt thérapeutique, telles que des NPs d'oxyde de titane (TiO2), des NPs fluorescents de silicate de 2 tailles différentes, des NPs, d'oxyde de fer super-para-magnétiques ultra-petites (USPIO), soit non- enrobées soit enrobées d'acide oléique ou de polyvinylamine (aminoPVA), et des NPs d'acide poly(lactique-co-glycolique)-polyethylene-oxide (PLGA-PEO) ont été évalués. Les résultats ont démontré que les NPs sont internalisées par les cellules en fonction de leur taille, composition chimique, enrobage de surface, et également du type de cellules utilisées. L'internalisation cellulaire des USPIO NPs a été augmentée en présence d'un aimant externe. Aucune des NPs de fer et de silicate n'a été transportée à travers des couches de cellules épithéliales du rein ou endothéliales du cerveau, même en présence d'un aimant. Cependant, en développant un modèle original de barrière endothélium-glioblastome, un transfert direct de NPs d'oxyde de fer de cellule endothéliale à cellule de glioblastome a été démontré. A la suite de leur internalisation les NPs d'oxyde de fer et de titane sont relâchées par des cellules épithéliales du rein, mais pas des cellules endothéliales du cerveau. Dans les cellules endothéliales du cerveau ces NPs induisent en fonction de leur état d'agglomération un stress oxydatif et des mécanismes d'autophagie, ainsi que des dommages à l'ADN des cellules exposées aux NPs d'oxyde de titane. En conclusion, les résultats obtenus élargissent les connaissances sur les effets exercés par des NPs sur des cellules vivantes et ont permis de développer les outils expérimentaux pour étudier ces effets in vitro, réduisant ainsi le recours à des expériences sur animaux.

Intracellular targeting of GLUT4 in transfected insulinoma cells: evidence for association with constitutively recycling vesicles distinct from synaptophysin and insulin vesicles.

In adipocytes and muscle cells, the GLUT4 glucose transporter isoform is present in intracellular vesicles which continuously recycle between an intracytoplasmic location and the plasma membrane. It is not clear whether the GLUT4-vesicles represent a specific kind of vesicle or resemble typical secretory granules or synaptic-like microvesicles. To approach this question, we expressed GLUT4 in the beta cell line RINm5F and determined its intracellular localization by subcellular fractionation and by immunofluorescence and immunoelectron microscopy. GLUT4 was not found in insulin granules but was associated with a subpopulation of smooth-surface vesicles present in the trans-Golgi region and in vesicular structures adjacent to the plasma membrane. In the trans-Golgi region, GLUT4 did not colocalize with synaptophysin or TGN38. Incubation of the cells with horseradish peroxidase (HRP) led to colocalization of HRP and GLUT4 in some endosomal structures adjacent to the plasma membrane and in occasional trans-Golgi region vesicles. When cells were incubated in the presence of Bafilomycin A, analysis by confocal microscopy revealed GLUT4 in numerous large spots present throughout the cytoplasm, many of which costained for TGN38 and synaptophysin. By immunoelectron microscopy, numerous endosomes were observed which stained strongly for GLUT4. Together our data demonstrate that ectopic expression of GLUT4 in insulinoma cells reveals the presence of a subset of vesicular structures distinct from synaptic-like vesicles and insulin secretory granules. Furthermore, they indicate that GLUT4 constitutively recycles between the plasma membrane and its intracellular location by an endocytic route also taken by TGN38 and synaptophysin.

Clic4, a novel protein that sensitizes ß-cells to apoptosis.

Introduction: La préservation et/ou l'expansion de la masse des cellules ß pourraient constituer des approches prometteuses dans le traitement du diabète. L'une des stratégies clés serait de réduire l'apoptose des cellules ß. Le chloride intracellular channel protein 4 (Clic4) est une protéine exprimée de manière ubiquitaire et supposée agir dans de nombreux processus cellulaires tels que le contrôle du cycle cellulaire, la différenciation cellulaire et l'apoptose. Ici, nous avons étudié le rôle de Clic4 dans l'apoptose des cellules ß pancréatiques en utilisant des cellules ßTC-tet et des îlots de Langerhans issus de souris knockout pour Clic4 (ßClic4KO). Résultats: L'expression de l'ARNm et de la protéine Clic4 était augmentée par un traitement aux cytokines dans les cellules ßTC-tet et encore plus fortement dans des îlots isolés de souris. De plus, la sous-expression de Clic4 dans les cellules ßTC-tet diminuait leur sensibilité à l'apoptose induite par les cytokines. La sous-expression de Clic4 dans les cellules ßTC-tet n'affectait pas l'expression des ARNm de Bcl-2 et Bad, mais augmentait leur expression protéique ainsi que la forme phosphorylée de Bad. Les mêmes résultats ont été obtenus sur des îlots isolés de souris contrôles et ßClic4KO. De plus, les îlots issus de souris ßClic4KO présentaient une augmentation de l'expression de la protéine Bcl-xL. Dans le but de déterminer si Clic4 augmentait l'expression de Bcl-2 et Bad via une interaction protéique directe, nous avons immunoprécipité Clic4 à partir de cellules ßTC-tet à l'aide d'anticorps dirigés contre la partie C- ou N-terminale de la protéine, puis nous avons soumis les immunoprécipités à une analyse de spectrométrie de masse. Aucune co- immunoprécipitation avec Bcl-2 ou d'autres protéines de la famille Bcl-2 n'a été détectée. Cependant, de manière intéressante, Clic4 était co-purifié avec plusieurs protéines du protéasome suggérant un rôle de Clic4 dans la dégradation des protéines. Par conséquent, nous avons étudié la demi-vie de Bcl-2 et Bad, et avons observé que la sous-expression de Clic4 dans les cellules ßTC-tet augmentait la demi-vie de ces protéines. De plus, l'expression de l'ARNm et de la protéine Clic4 était également augmentée lors d'un stress du réticulum endoplasmique induit par la thapsigargine dans les cellules ßTC-tet. La sous-expression de Clic4 dans les cellules ßTC-tet ou chez les KO diminuait la sensibilité des cellules ß à l'apoptose induite par la thapsigargine ou l'acide palmitique, respectivement. Conclusion: Ces résultats suggèrent que Clic4 sensibilise les cellules ß à l'apoptose induite par les cytokines ou l'acide palmitique/thapsigargine (stress du réticulum endoplasmique). De plus, la sous-expression de Clic4 améliore la survie des cellules ß en diminuant la dégradation de Bcl-2 et Bcl-xL, et en augmentant le niveau total de Bad phosphorylé, peut-être suite à une interaction de Clic4 avec le protéasome.

The direct effects of tacrolimus and cyclosporin A on isolated human islets: A functional, survival and gene expression study.

The use of immunosuppressive drugs in transplanted patients is associated with the development of diabetes, possibly due to β-cell toxicity. To better understand the mechanisms leading to post-transplant diabetes, we investigated the actions of prolonged exposure of isolated human islets to therapeutical levels of tacrolimus (Tac) or cyclosporin A (CsA). Islets were isolated from the pancreas of multiorgan donors by enzymatic digestion and density gradient centrifugation. Functional, survival and molecular studies were then performed after 4 days of incubation with therapeutical concentrations of Tac or  CsA. Glucose-induced insulin secretion was significantly decreased in Tac, but not in CsA exposed islets, which was associated with a reduction of the amount of insulin granules as shown by electron microscopy. The percentage of apoptotic β-cells was higher in Tac than CsA exposed islets. Microarray experiments followed by Gene Set Enrichment Analysis revealed that gene expression was more markedly affected upon Tac treatment. In conclusion, Tac and CsA affect features of beta-cell differently, with several changes occurring at the molecular level.

Study of the physiological role of RasGAP cleavage

Résume Les caspases sont un groupe de protéases à cystéine qui s?activent lors de l'apoptose. Leur activation induit le clivage de nombreuses cibles intracellulaires, conduisant à l'activation de voies pro-apoptotiques et finalement au démantèlement des cellules. Cependant, des caspases ont été décrites dans de nombreux autres processus indépendants de l'apoptose, notamment dans la physiologie des cellules hématopoïétiques, des cellules musculaires, des cellules de la peau et des neurones. Comment est-ce que les cellules réconcilient-elles ces deux fonctions distinctes? Une partie de la réponse réside dans la nature des substrats qu'elles clivent. Certains substrats, une fois clivées, deviennent anti-apoptotiques. RasGAP est une cible des caspases et contient deux sites spécifiques de clivage par les caspases. Lorsque le niveau d?activité des caspases est faible le clivage de RasGAP produit un fragment N-terminal qui active un signal antiapoptotique, relayé par la voie de Ras/PI3K/Akt. Lorsque le niveau d?activité des caspases est plus élevé le fragment RasGAP N-terminal est à nouveau clivé, perdant de ce fait ses propriétés anti-apoptotiques. Dans cette étude, nous avons mis en évidence que l'activation de la voie Ras/PI3K/Akt induite par le fragment RasGAP N-terminal dépend de RasGAP lui-même. Par ailleurs, dans le but d?étudier l?importance du clivage de RasGAP dans un contexte physiologique, nous avons développé un modèle animal exprimant une gêne mutée de RasGAP de sorte que la protéine est devenu insensible a l?action de caspases. Les données préliminaires obtenues montrent que le clivage de RasGAP n'est pas indispensable pour le développement et l?homéostasie chez la souris. Finalement, nous avons développé une souris transgénique surexprimant le fragment de RasGAP N-terminal dans les cellules ß du pancréas. Les animaux obtenus ne montrent pas de symptômes dans les conditions basales bien qu?ils soient plus résistants au diabète induit expérimentalement. Ces résultats montrent que la surexpression du fragment N-terminal de RasGAP protége efficacement les cellules ß du pancréas de l?apoptose induite par le stress sans pourtant affecter d?autres paramètres physiologiques des Ilot de Langerhans.<br/><br/>Caspases are a series of proteases that are activated during apoptosis. Their activation causes the cleavage of numerous intracellular targets, which leads to cell dismantling and activation of pro-apoptotic pathways. Caspases have been found to be involved in the physiology of numerous cell types including haematopoietic cells, muscle cells, skin cells and neurons. How cells conciliate these two opposite functions? Part of the answer lies in the nature of the substrates they cleave. Some substrates become anti-apoptotic once cleaved by caspases. RasGAP is a caspase substrate that possesses two conserved caspase-cleavage sites. At low caspase activity, RasGAP is first cleaved and the generated N-terminal fragment activates a potent anti-apoptotic signal, mediated by the Ras/PI3K/Akt pathway. At higher caspase activity, the N-terminal fragment is further cleaved thereby losing its anti-apoptotic properties. In the present study we show that the activation of the Ras/PI3K/Akt pathway mediated by RasGAP N-terminal fragment is dependent on RasGAP itself. Moreover, to study the role of RasGAP cleavage in a physiological model, we have developed a knock-in mouse model expressing a RasGAP mutant that is not cleavable by caspases. Preliminary data shows that RasGAP cleavage is not required for normal development and homeostasis in mice. Finally, we have developed a transgenic mouse model overexpressing RasGAP N-terminal fragment in the ß-cell of the pancreas. In basal conditions, these mice show no difference with their wt counterparts. However, they are protected against experimentally induced diabetes. These results indicate that fragment N can protect ? cells from stress-induced apoptosis without affecting other physiological parameters of the Islets.

Potential approaches for more successful dendritic cell-based immunotherapy.

INTRODUCTION: Dendritic cells (DCs) are the most important antigen-presenting cell population for activating antitumor T-cell responses; therefore, they offer a unique opportunity for specific targeting of tumors. AREAS COVERED: We will discuss the critical factors for the enhancement of DC vaccine efficacy: different DC subsets, types of in vitro DC manufacturing protocol, types of tumor antigen to be loaded and finally different adjuvants for activating them. We will cover potential combinatorial strategies with immunomodulatory therapies: depleting T-regulatory (Treg) cells, blocking VEGF and blocking inhibitory signals. Furthermore, recommendations to incorporate these criteria into DC-based tumor immunotherapy will be suggested. EXPERT OPINION: Monocyte-derived DCs are the most widely used DC subset in the clinic, whereas Langerhans cells and plasmacytoid DCs are two emerging DC subsets that are highly effective in eliciting cytotoxic T lymphocyte responses. Depending on the type of tumor antigens selected for loading DCs, it is important to optimize a protocol that will generate highly potent DCs. The future aim of DC-based immunotherapy is to combine it with one or more immunomodulatory therapies, for example, Treg cell depletion, VEGF blockage and T-cell checkpoint blockage, to elicit the most optimal antitumor immunity to induce long-term remission or even cure cancer patients.