Induced pluripotent stem cells as a promising tool to study the effect of interleukin-22 in multiple sclerosis

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante du système nerveux central (SNC) provoquant des pertes motrices, sensitives et cognitives. La SEP se déclare chez le jeune adulte ayant des prédispositions génétiques, mais semble induite, par des facteurs environnementaux. La SEP touche principalement les femmes et sa prévalence dans les zones à haut risque, tel que la Suisse, est de 0.1%. Bien que son étiologie exacte reste méconnue, nous savons que la maladie est médiée par des lymphocytes T autoréactifs périphériques, qui infiltrent le SNC où ils activent d'autres cellules immunitaires ainsi que les cellules du SNC elles-mêmes, créant un foyer inflammatoire, qui va attaquer et finir par tuer les oligodendrocytes et les neurones. Les épisodes inflammatoires sont entrecoupés par des phases de rémission associées à une guérison partielle des lésions. Cette première phase de la maladie, comprenant des épisodes inflammatoires et de rémissions est appelé SEP récurrente-rémittente (SEP-RR) et touche 90% des patients. Elle évolue, dans deux-tiers des cas, vers une SEP secondaire progressive (SEP-SP), qui est caractérisée par une progression constante de la maladie, associée à une réduction de l'inflammation mais une augmentation de la neurodégénérescence. Les patients souffrants de SEP primaire progressive (SEP-PP) développent directement les symptômes de la phase progressive de la maladie. Les thérapies disponibles ont considérablement amélioré l'évolution de la maladie des patients SEP-RR, en agissant sur une diminution de la réponse immunitaire et donc de l'inflammation. Cependant, ces traitements sont inefficaces chez les patients SEP-SP et SEP-PP, n'agissant pas sur la neurodégénérescence. IL-22, une cytokine sécrétée notoirement par les cellules Th17, a été associée à la SEP en contribuant à la perméabilisation de la barrière hémato-encéphalique et à l'inflammation du SNC, qui sont des étapes clés de la pathogenèse de la maladie. En outre, le gène codant pour un inhibiteur puissant d'IL- 22, 'IL-22 binding protein' (IL-22BP), a été démontré comme un facteur de risque de la SEP. Ces indices nous ont poussés à nous intéresser de plus près au rôle de l'IL-22 dans la SEP. Nous avons pu montrer qu'IL-22 et IL-22BP étaient augmentées dans le sang des patients SEP par rapport à des sujets sains. Nous avons trouvé qu'IL-22 cible spécifiquement les astrocytes dans le SNC et que son récepteur est particulièrement exprimé dans les lésions des patient SEP. Contre toute attente, nous avons pu montrer que l'IL-22 semble soutenir la survie des astrocytes. Cette découverte, suggérant qu'IL-22 serait protecteur pour le SNC et pour la SEP, confirme de récentes publications et ouvre la voie à de potentielles applications thérapeutiques. En parallèle, dans le but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP, nous avons développé les techniques de culture de cellules souches pluripotentes induites (iPSC). Nos iPSC sont dérivées du sang des donneurs et acquièrent toutes les propriétés des cellules souches embryonnaires après induction. Les iPSC peuvent ensuite être différenciées en différents types de cellules, dont les cellules du SNC. Nous avons ainsi pu obtenir avec succès des neurones, dérivés de cellules du sang, en passant par le stade des iPSC. La prochaine étape consiste à générer des cultures d'astrocytes et d'oligodendrocytes et ainsi obtenir les principales cellules du SNC, le but étant de former de véritables 'cerveaux-en-culture'. Cet outil semble particulièrement adapté à l'étude de l'activité de diverses molécules sur les cellules du SNC, comme par exemple l'IL-22 et d'autres molécules ayant un potentiel intérêt thérapeutique au niveau du SNC. Le but ultime étant de développer des co-cultures de cellules du SNC avec des cellules immunitaires autologues, de patients SEP et de sujets sains, afin de mettre en évidence l'attaque des cellules du SNC par des leucocytes autoréactifs. Ce projet prospectif a permis d'accroître nos connaissance sur des aspects immunitaires de la SEP et à pour but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP afin d'élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques. -- La sclérose en plaques est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central conduisant à la destruction de la myéline, indispensable à la conduction nerveuse, et finalement à la mort des neurones eux-mêmes. Cela a pour conséquence des pertes motrices, sensorielles et cognitives, qui ont tendance à s'aggraver au fil de la maladie. Elle se déclare chez le jeune adulte, entre l'âge de 20 et 40 ans, et prédomine chez la femme. En Suisse, environ une personne sur l'OOO est atteinte de sclérose en plaques. Les causes exactes de cette maladie, qui incluent des facteurs génétiques et environnementaux, sont encore mal connues. Des traitements de plus en plus efficaces ont été développés ces dernières années et ont permis de drastiquement améliorer l'évolution de la maladie chez les patients atteints de sclérose en plaques. Cependant, ces traitements ne sont efficaces que sur certaines catégories de patients et peuvent engendrer de lourds effets secondaires. Ces thérapies agissent presque exclusivement sur les cellules du système immunitaire en les désactivant partiellement, mais pas sur les cellules nerveuses, qui sont pourtant celles qui conditionnent le devenir du patient. Le développement de médicaments protégeant ou permettant la régénération des cellules du système nerveux central est donc primordial. L'étude de l'interleukine-22 nous a permis de montrer que cette cytokine ('hormone' du système immunitaire) pouvait cibler spécifiquement les astrocytes, des cellules gliales qui jouent un rôle central dans le maintien de l'équilibre du système nerveux central. Nos recherches ont montré que cette interleukine-22 permettrait une meilleure survie des astrocytes durant la phase aiguë de la maladie et aurait aussi des propriétés neuroprotectrices. En parallèle, nous sommes en train de développer un nouveau modèle in vitro d'étude de la sclérose en plaques grâce à la technologie des cellules souches pluripotentes induites. Ces cellules souches sont induites à partir de cellules du sang du donneur et acquièrent toutes les caractéristiques des cellules souches embryonnaires présentes dans un organisme en formation. Ainsi, ces cellules souches pluripotentes ont, par exemple, la capacité de se différencier en cellules du système nerveux central. Nous avons pu, de cette manière, obtenir des neurones. Le but ultime serait de pouvoir reconstituer une ébauche de cerveau in vitro, en cultivant ensemble différents types de cellules du système nerveux central, afin d'y réaliser des expériences avec des cellules immunitaires du même donneur. Ces travaux ont pour but d'améliorer notre compréhension de la pathogenèse de la sclérose en plaques et de permettre le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. --Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system leading to cognitive, sensitive and motor disabilities. MS occurs in genetically predisposed young adults with probable environmental triggers. MS affects predominantly women and its prevalence in high risk area such as Switzerland is 0.1%. Though its exact aetiology remains undetermined, we know that autoreactive T cells from de periphery are reactivated and recruited into the central nervous system (CNS) were they further activate other immune cells and resident cells, creating inflammatory foci, where oligodendrocytes and neurons are insulted and, eventually, killed. Inflammatory episodes, called relapses, are interspersed with remission phases where partial recovery of the lesions occurs. This first phase of the disease, occurring in 90% of the patients, is called relapsing-remitting MS (RR-MS) and is leading, in two-third of the cases, to secondary-progressive MS (SP-MS), where there is a continuous steady progression of the disease, associated with reduced inflammation but increased neurodegeneration. Primary-progressive MS (PP-MS) patients experience directly this progressive phase of the disease. Whereas disease modifying therapies have dramatically ameliorated the disease course of RR-MS patients by dampening immunity and, in turn, inflammation, treatments of SP-MS and PP-MS patients, who suffer primarily from the neurodegenerative aspect of the disease, are still inexistent. IL-22, a pro-inflammatory Th17 cell cytokine, has been associated with MS by participating to blood-brain barrier infiltration and CNS inflammation, which are crucial steps in MS pathogenesis. In addition, the gene coding for IL-22 binding protein (IL-22BP), which is a potent secreted IL-22 inhibitor, has been associated with MS risk. These findings call for further investigation on the role of IL-22 in MS. We detected increased IL-22 and IL-22BP in the blood of MS patients as compared to healthy controls. Acting exclusively on cells of nonhematopoietic origin, we found that IL-22 targets specifically astrocytes in the CNS and that its receptor is highly expressed in the lesion of MS patients. Unexpectedly, we found that IL-22 seems to promote survival of astrocytes. This finding, suggesting that IL-22 might be protective for the CNS in the context of MS, is consistent with recent publications and might open putative therapeutic applications at the CNS level. In parallel, with the aim of better understanding the immunopathogenesis of MS, we developed induced pluripotent stem cell (iPSC) techniques. IPSC are derived from blood cells of the donors and bear embryonic stem cell properties. IPSC can be differentiated into various cell types including CNS cells. We successfully obtained neurons derived from the donor blood cells, through iPSC. We further aim at developing astrocytes and oligodendrocytes cultures to recreate a 'brain-in-a-dish'. This would be a powerful tool to test the activity of various compounds on CNS cells, including IL-22 and other putative neuroprotective drugs. Ultimately, the goal is to develop co-cultures of CNS cells with autologous immune cells of MS patients as well as healthy controls to try to expose evidence of CNS cells targeted by autoreactive leukocytes. This prospective project has increased our knowledge of immune aspects of MS and further aims at better understanding the immunopathology of MS in order to pave the way to the elaboration of new therapeutic strategies.

Novel therapeutic strategies targeting regulatory T cells and downstream TCR signaling in transplantation

Avec plus de 100000 transplantations d'organes solides (TOS) par année dans le monde, la transplantation d'organes reste actuellement l'un des meilleurs traitements disponibles pour de nombreuses maladies en phase terminale. Bien que les médicaments immunosuppresseurs couramment utilisés soient efficaces dans le contrôle de la réponse immune engendrant le rejet aigu d'une greffe, la survie du greffon à long terme ainsi que la présence d'effets secondaires indésirables restent un enjeu considérable en clinique. C'est pourquoi il est nécessaire de trouver de nouvelles approches thérapeutiques innovantes permettant de contrôler la réponse immunitaire et ainsi d'améliorer les résultats à long terme. L'utilisation des lymphocytes T régulateurs (Treg), suppresseurs naturels de la réponse inflammatoire, a fait l'objet de nombreuses études ces dix dernières années, et pourrait être considérée comme un moyen intéressant d'améliorer la tolérance immunologique de la greffe. Cependant, l'un des obstacles de l'utilisation des Treg comme agent thérapeutique est leur nombre insuffisant non seulement en conditions normales, mais en particulier lors d'une forte réponse immune avec expansion de cellules immunitaires alloréactives. En raison des limitations techniques connues pour l'induction des Treg ex-vivo ou in vitro, nous avons dédié la première partie du travail de thèse à la détermination de l'efficacité de l'induction des Treg in vivo grâce à l'utilisation d'un complexe protéique IL-2/JES6-1 (IL2c). Nous avons montré que l'expansion des Treg par IL2c permettait d'augmenter la survie du greffon sur un modèle murin de transplantation de peau avec mismatch entre le donneur et le receveur pour le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH). De plus, nous avons vu qu'en combinant IL2c à une inhibition à court terme de la voie de co-stimulation CD40L-CD40 (anti-CD154/MRl, administré au moment de la transplantation) pour empêcher l'activation des lymphocytes T, il est possible d'induire une tolérance robuste à long terme. Finalement, nos résultats soulignent l'importance de cibler une voie de co-stimulation bien particulière. En effet, l'utilisation d'IL2c combinée au blocage de la co-stimulation CD28-B7.1/2 (CTLA-4 Ig) n'induit qu'une faible prolongation de la survie de la greffe et n'induit pas de tolérance. L'application chez l'humain des traitements induisant la tolérance dans des modèles expérimentaux murins ou de primates n'a malheureusement pas montré de résultats probants en recherche clinique ; une des principales raisons étant la présence de lymphocytes B et T mémoires provenant du systeme d immunité acquise. C est pourquoi nous avons testé si la combinaison d'IL2c et MR1 améliorait la survie de la greffe dans des souris pré¬sensibilisées. Nous avons trouvé qu'en présence de lymphocytes B et T mémoires alloréactifs, l'utilisation d'IL2c et MR1 permettait une amélioration de la survie de la greffe de peau des souris immunocompétentes mais comparé aux souris receveuses naïves, aucune tolérance n'a pu être induite. Toutefois, l'ajout d'un traitement anti-LFA-1 (permettant de bloquer la circulation des lymphocytes T activées) a permis d'améliorer de manière significative la survie de la greffe. Cependant, le rejet chronique, dû à la présence de lymphocytes B activés/mémoires et la production d'anticorps donneur-spécifiques, n'a pas pu être évité. Cibler l'activation des lymphocytes T est la stratégie immunothérapeutique prépondérente après une TOS. C'est pourquoi dans la deuxième partie de cette thèse nous nous sommes intéressés au système de signalisation d'un récepteur des lymphocytes T qui dépend de la paracaspase Malti en tant que nouvelle stratégie immunosuppressive pour le contrôle des lymphocytes T alloréactifs. Nous avons montré que bien que l'inhibition de la signalisation du lymphocyte T en aval de Malti induise une tolérance envers un greffon de peau avec incompatibilités antigéniques mineures, cela ne permet cependant qu'une régulation partielle de l'alloréponse contre des antigènes du CMH. Nous nous sommes aussi intéressés spécifiquement à l'activité protéolytique de Malti. L'inhibition constitutive de l'activité protéolytique de Malti chez les souris Malti-ki s'est révélée délétère pour l'induction de la tolérance car elle diminue la fonction des Treg et augmente l'alloréactivité des cellules Thl. Cependant, lors de l'utilisation d'un inhibiteur peptidique de l'activité protéase de Malti in vitro, il a été possible d'observer une atténuation de l'alloéactivité des lymphocytes T ainsi qu'un maintien de la population des Treg existants. Ces résultats nous laissent penser que des études plus poussées sur le rôle de la signalisation médiée par Malti seraient à envisager dans le domaine de la transplantation. En résumé, les résultats obtenus durant cette thèse nous ont permis d'élucider certains mécanismes immunologiques propres à de nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles dont le but est d'induire une tolérance lors de TOS. De plus, ces résultats nous ont permis de souligner l'importance d'utiliser des modèles davantage physiologiques contenant, notamment en tenant compte des lymphocytes B et T mémoires alloréactifs. -- Organ transplantation remains the best available treatment for many forms of end-stage organ diseases, with over 100,000 solid organ transplantations (SOT) occurring worldwide eveiy year. Although the available immunosuppressive (IS) drugs are efficient in controlling acute immune activation and graft rejection, the off-target side effects as well as long-term graft and patient survival remain a challenge in the clinic. Hence, innovative therapeutic approaches are needed to improve long-term outcome across immunological barriers. Based on extensive experimental data obtained over the last decade, it is tempting to consider immunotherapy using Treg; the natural suppressors of overt inflammatory responses, in promoting transplantation tolerance. The first hurdle for the therapeutic use of Treg is their insufficient numbers in non- manipulated individuals, in particular when facing strong immune activation and expanding alloreactive effector cells. Because of the limitations associated with current protocols aiming at ex-vivo expansion or in vitro induction of Treg, the aim of the first part of this thesis was to determine the efficacy of direct in vivo expansion of Treg using the IL-2/JES6- 1 immune complex (IL2c). We found that whilst IL2c mediated Treg expansion alone allowed the prolonged graft survival of fìlli MHC-mismatched skin grafts, its combination with short-term CD40L-CD40 co-stimulation blockade (anti-CD 154/MR1) to inhibit T cell activation administered at the time of transplantation was able to achieve long-term robust tolerance. This study also highlighted the importance of combining Treg based therapies with the appropriate co-stimulation blockade as a combination of IL2c and CD28-B7.1/2 co- stimulation blockade (CTLA-4 Ig) only resulted in slight prolongation of graft survival but not tolerance. The translation of tolerance induction therapies modelled in rodents into non-human primates or into clinical trials has seldom been successful. One main reason being the presence of pre-existing memory T- and B-cells due to acquired immunity in humans versus laboratory animals. Hence, we tested whether IL2c+MRl could promote graft survival in pre-sensitized mice. We found that in the presence of alloreactive memory T- and B-cells, IL2c+MRl combination therapy could prolong MHC-mismatched skin graft survival in immunocompetent mice but tolerance was lost compared to the naïve recipients. The addition of anti-LF A-1 treatment, which prevents the trafficking of memory T cells worked synergistically to significantly further enhance graft survival. However, late rejection mediated by activated/memory B cells and persistent donor-specific alloantibodies still occurred. Immunotherapeutic strategies targeting the activation of T cells are the cornerstone in the current immunosuppressive management after SOT. Therefore, in the next part of this thesis we investigated the paracaspase Malti-dependent T-cell receptor signalling as a novel immunosuppressive strategy to control alloreactive T cells in transplantation. We observed that although the inhibition of Malti downstream T signalling lead to tolerance of a minor H- mismatch skin grafts, it was however not sufficient to regulate alloresponses against MHC mismatches and only prolonged graft survival. Furthermore, we investigated the potential of more selectively targeting the protease activity of Malti. Constitutive inhibition of Malti protease activity in Malti-ki mice was detrimental to tolerance induction as it diminished Treg function and increased Thl alloreactivity. However, when using a small peptide inhibitor of Malti proteolytic activity in vitro, we observed an attenuation of alloreactive T cells and sparing of the pre-existing Treg pool. This indicates that further investigation of the role of Malti signalling in the field of transplantation is required. Collectively, the findings of this thesis provide immunological mechanisms underlying novel therapeutic strategies for the promotion of tolerance in SOT. Moreover, we highlight the importance of testing tolerance induction therapies in more physiological models with pre-existing alloreactive memory T and B cells.

Les émotions, bien connaître les siennes pour mieux gérer les leurs

L'adolescence est une période de modification profonde du vécu émotionnel, tant sur le plan qualitatif que quantitatif. La pathologie mentale vient, de plus, compliquer le processus de gestion des émotions, dans les excès ou les débordements; du côté des agirs, ou des manques, du côté de l'abrasion des affects ou de l'alexithymie. Les mouvements émotionnels suscités chez les soignants par les adolescents en souffrance sont colorés des mêmes excès. Pouvoir les reconnaître, les accepter et les gérer de manière souple et modulée nous offre de précieuses informations sur ce que vivent nos patients et leur permet de percevoir et de mesurer leurs effets à travers un miroir et ainsi percevoir une part de leur fonctionnement. Cette capacité soignante a des vertus pare-excitantes et constitue un modèle de gestion des émotions que nos patients adolescents peuvent intégrer. Des ateliers prenant en compte la gestion des émotions complètent ce travail ardu du soignant, qui mobilise son énergie et vient se questionner au plus près de ce qu'il vit et ressent dans sa fonction.