Using Pareto optimality to explore the topology and dynamics of the human connectome.

Graph theory has provided a key mathematical framework to analyse the architecture of human brain networks. This architecture embodies an inherently complex relationship between connection topology, the spatial arrangement of network elements, and the resulting network cost and functional performance. An exploration of these interacting factors and driving forces may reveal salient network features that are critically important for shaping and constraining the brain's topological organization and its evolvability. Several studies have pointed to an economic balance between network cost and network efficiency with networks organized in an 'economical' small-world favouring high communication efficiency at a low wiring cost. In this study, we define and explore a network morphospace in order to characterize different aspects of communication efficiency in human brain networks. Using a multi-objective evolutionary approach that approximates a Pareto-optimal set within the morphospace, we investigate the capacity of anatomical brain networks to evolve towards topologies that exhibit optimal information processing features while preserving network cost. This approach allows us to investigate network topologies that emerge under specific selection pressures, thus providing some insight into the selectional forces that may have shaped the network architecture of existing human brains.

Early life host-microbe interactions : implications for the development of asthma

Plus de 300 millions de personnes dans le monde souffrent de l'asthme. L'asthme est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires caractérisée par des symptômes variables et récurrents, une obstruction bronchique réversible et des bronchospasmes. Les symptômes communs incluent une respiration sifflante, de la toux, une oppression thoracique et de la dyspnée. Normalement, la maladie commence à se manifester pendant l'enfance. Pourtant, facteurs génétiques héréditaires et événements environnementaux survenant au cours de la petite enfance sont responsables de sa manifestation, indiquant que le développement de la maladie est lié à des événements qui se produisent bien avant son déclenchement. L'infection respiratoire virale aiguë constitue un de ces facteurs environnementaux jouant un rôle prépondérant. Un des virus les plus communs est le virus respiratoire syncytial (VRS), qui infecte presque tous les enfants avant l'âge de 2 ans. Ce virus, s'il infecte des tout-petits, peut en effet provoquer une bronchiolite aiguë, un phénomène qui a été épidémiologiquement lié à l'apparition d'asthme plus tard dans la vie. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons étudié, chez la souris, comment une infection avec le VRS influe sur l'asthme allergique. Nous avons constaté que seule l'infection des souris à l'état de nouveau-né prédispose à un asthme allergique plus sévère chez l'adulte. En effet, si des souris adultes étaient infectées, elles étaient protégées contre l'apparition des symptômes asthmatiques. Cela nous a mené à investiguer les mécanismes immunitaires spécifiques durant cette courte période du début de la vie. Deux événements se produisent en parallèle au cours de la petite enfance: (1) Le système immunitaire, qui est encore immature immédiatement après la naissance, commence à se développer pour être en mesure de jouer son rôle protecteur contre les agents infectieux. (2) Le corps, y compris les poumons, est colonisé par des bactéries commensales, qui vivent en symbiose avec leur hôte humain. Chez l'adulte, ces bactéries sont connues pour influencer notre système immunitaire, l'éduquant à générer des réponses immunitaires adéquates et efficaces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons voulu déterminer si ces bactéries symbiotiques étaient impliquées dans l'éducation du système immunitaire du nouveau-né et quelles conséquences cela pourrait avoir sur les réponses immunitaires engendrées par ce dernier. Pour étudier l'effet de ces bactéries symbiotiques, nous avons utilisé des souris stériles, en d'autres termes des souris qui n'hébergent pas ces bactéries symbiotiques. En comparant ces souris stériles à des souris qui abritent une flore microbienne normale, nous avons constaté que les bactéries symbiotiques sont vitales pour la bonne éducation du système immunitaire du nouveau-né. Nous avons démontré que le contact direct des cellules immunitaires avec la flore microbienne dans les poumons modifie le phénotype de ces cellules immunitaires, ce qui change probablement leur réaction au cours de réponses immunitaires. Nous avons donc vérifié si l'éducation immunitaire induite par cette microflore est importante pour prévenir les maladies pulmonaires telles que l'asthme allergique, affections qui sont causées par une réaction excessive du système immunitaire envers des agents inoffensifs. En effet, nous avons observé que le processus de maturation du système immunitaire néonatal, lequel a été déclenché et façonné par la flore microbienne, est important pour éviter une réaction asthmatique exagérée chez la souris adulte. Ce phénomène est dû aux lymphocytes T régulateurs. Ces cellules, dont la présence est induite dans les poumons, ont des capacités immunosuppressives et atténuent donc les réponses immunitaires pour prévenir une inflammation excessive. En conclusion, nous avons montré dans cette thèse que la colonisation par des bactéries symbiotiques tôt dans la vie est un événement décisif pour la maturation du système immunitaire et pour prévenir le développement de l'asthme. Dans l'avenir, il serait intéressant de découvrir quelles bactéries sont présentes dans les poumons du nouveau-né et lesquelles sont directement impliquées dans ce processus de maturation immunitaire. Une prochaine étape serait alors de favoriser la présence de ces bactéries au début de la vie au moyen d'un traitement avec des agents pré- ou probiotiques, ce qui pourrait éventuellement contribuer à une prévention précoce du développement de l'asthme. -- L'asthme est une maladie chronique inflammatoire des voies respiratoires affectant près de 300 millions d'individus dans le monde. Bien que les traits caractéristiques du phénotype asthmatique s'établissent généralement pendant l'enfance, la prédisposition au développement de la maladie est intimement liée à des événements survenant durant la petite enfance, comme le sont par exemple les infections virales respiratoires aiguës. Les mécanismes par lesquels ces événements provoquent un dysfonctionnement immunitaire et, par conséquent, conduisent au développement de l'asthme n'ont pas encore été entièrement décelés. La dysbiose du microbiote des voies respiratoires a été récemment associes au phénotype asthmatique, touisTcis, la cuûoboiatioî! d un lien cause à effet entre la dysbiose microbienne et l'apparition des symptômes asthmatiques reste à être démontrée. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle que joue la colonisation microbienne des voies respiratoires au cours de la petite enfance dans la maturation du système immunitaire ainsi que dans la protection contre l'inflammation pulmonaire de type allergique. Nous avons de surcroît développé un modèle expérimental pour comprendre comment les infections virales respiratoires interfèrent avec ce processus. Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué l'effet d'infections causées par le virus respiratoire syncytial (VRS) sur le développement de l'asthme. En accord avec des études épidémiologiques, nous avons constaté qu'une infection au VRS lors de la période néonatale exacerbait les réponses pulmonaires allergiques ultérieures. Par contraste, une infection à l'âge adulte avait un effet protecteur. Nous avons ainsi démontré que l'influence d'une infection à VRS sur l'issue et la sévérité de l'asthme respiratoire était strictement dépendante de l'âge. Ces résultats nous ont conduit à émettre l'hypothèse que des différences dans le phénotype homéostatique des cellules immunitaires pourraient être responsables de ces disparités liées à l'âge. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons suivi et caractérisé le processus de maturation des cellules immunitaires dans les poumons du nouveau-né en condition d'homéostasie. Nous avons découvert que leur phénotype change de façon dynamique pendant le développement néonatal et que la colonisation par des microbes était déterminante pour la maturation des cellules immunitaires dans les poumons. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons démontré comment le microbiote pulmonaire éduque le développement immunitaire durant la période néonatale l'orientant de manière à induire une tolérance face aux aéroallergènes. Nous avons découvert que la colonisation microbienne des voies respiratoires provoque une expression transitoire de PD-L1 sur les cellules dendritiques (CD) pulmonaires du type CD11b+ dans les deux premières semaines de la vie. Cet événement engendre par la suite la génération de lymphocytes T régulateurs (TREG) dans les poumons, lesquels sont responsables de la protection contre une réponse inflammatoire allergique exagérée chez la souris adulte. Par conséquent, nous proposons un rôle pivot de la maturation immunitaire induite par le microbiote pulmonaire dans l'établissement de la tolérance aux aéroallergènes. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouveaux indices révélant comment des événements se produisant lors de la petite enfance peuvent façonner les réponses du système immunitaire dirigées contre les allergènes et soulignent le rôle central joué par le microbiote pulmonaire dans l'édification d'une réponse immunitaire équilibrée. En résumé, notre travail met en évidence le microbiote pulmonaire comme étant une cible potentielle pour la prévention de certaines maladies respiratoires. -- Asthma is a chronic inflammatory disorder of the respiratory tract and affects approximately 300 million individuals world-wide. Although the asthmatic phenotype commonly establishes during childhood, predisposition towards disease development has been linked to events in early infancy, such as severe respiratory viral infections. However, the mechanisms by which these events cause immune dysfunction and, therefore, lead to the development of asthma have yet to be fully deciphered. Dysbiosis of the airway microbiota has recently been associated with the asthmatic phenotype; however, conclusive evidence for a causal link between microbial dysbiosis in the ail ways and asthma development is still missing. In this thesis we investigated the role of early-life microbial airway colonization in immune maturation and the protection against allergic airway inflammation and established an experimental model to address how respiratory viral infections interfere in this process. In the first part of this thesis we evaluated the effect of Respiratory syncytial virus (RSV) infections on the development of asthma. In concurrence with epidemiological studies, we found that neonatal infection exacerbated subsequent allergic airway inflammation. In contrast, adult infection was protective in the same context. Thus, we could demonstrate that the influence of RSV infection on subsequent allergic airway responses was strictly age-dependent. These findings led us to the hypothesis that differences in the homeostatic phenotype of immune cells could be responsible for the age-related disparities seen within the context of RSV. Therefore, in a second part of this thesis, we followed the process of homeostatic immune cell maturation in the neonatal lung. Immune cell phenotypes changed dynamically during neonatal development. We discovered that the colonization with microbes was central to the maturation of immune cells in the lung. In the last part of this thesis, we demonstrated how microbiota-driven immune development during the neonatal period induces tolerance against aeroallergens. We discovered that microbial colonization led to a transient programmed death-ligand (PD-L) 1 expression on CD11b+ pulmonary dendritic cells (DCs) during the first two weeks of life. This in turn induced regulatory T (TREG) cells in the lung, which were responsible for the protection against exaggerated allergic airway inflammation in adult mice. Thus, we propose a key role for microbiota-driven immune maturation in the establishment of tolerance towards aeroallergens. In conclusion, the results presented in this thesis provide new insights into how early-life events shape pulmonary immune responses towards allergens and suggest the airway microbiota as a key player in establishing a balanced immune response. Overall, our work highlights the airway microbiota as potential target for disease prevention.

Biomarkers of Host Response Predict Primary End-Point Radiological Pneumonia in Tanzanian Children with Clinical Pneumonia: A Prospective Cohort Study.

BACKGROUND: Diagnosing pediatric pneumonia is challenging in low-resource settings. The World Health Organization (WHO) has defined primary end-point radiological pneumonia for use in epidemiological and vaccine studies. However, radiography requires expertise and is often inaccessible. We hypothesized that plasma biomarkers of inflammation and endothelial activation may be useful surrogates for end-point pneumonia, and may provide insight into its biological significance. METHODS: We studied children with WHO-defined clinical pneumonia (n = 155) within a prospective cohort of 1,005 consecutive febrile children presenting to Tanzanian outpatient clinics. Based on x-ray findings, participants were categorized as primary end-point pneumonia (n = 30), other infiltrates (n = 31), or normal chest x-ray (n = 94). Plasma levels of 7 host response biomarkers at presentation were measured by ELISA. Associations between biomarker levels and radiological findings were assessed by Kruskal-Wallis test and multivariable logistic regression. Biomarker ability to predict radiological findings was evaluated using receiver operating characteristic curve analysis and Classification and Regression Tree analysis. RESULTS: Compared to children with normal x-ray, children with end-point pneumonia had significantly higher C-reactive protein, procalcitonin and Chitinase 3-like-1, while those with other infiltrates had elevated procalcitonin and von Willebrand Factor and decreased soluble Tie-2 and endoglin. Clinical variables were not predictive of radiological findings. Classification and Regression Tree analysis generated multi-marker models with improved performance over single markers for discriminating between groups. A model based on C-reactive protein and Chitinase 3-like-1 discriminated between end-point pneumonia and non-end-point pneumonia with 93.3% sensitivity (95% confidence interval 76.5-98.8), 80.8% specificity (72.6-87.1), positive likelihood ratio 4.9 (3.4-7.1), negative likelihood ratio 0.083 (0.022-0.32), and misclassification rate 0.20 (standard error 0.038). CONCLUSIONS: In Tanzanian children with WHO-defined clinical pneumonia, combinations of host biomarkers distinguished between end-point pneumonia, other infiltrates, and normal chest x-ray, whereas clinical variables did not. These findings generate pathophysiological hypotheses and may have potential research and clinical utility.

Host Genetics of Response to Hepatitis B Vaccine: A Systematic Review

Background. Hepatitis B virus (HBV) is an important cause of chronic viral disease worldwide and can be life threatening. While a safe and effective vaccine is widely available, 5 to 10% of healthy vaccinees fail to achieve a protective anti-hepatitis B surface antigen antibody (anti-HBs) titer (>10mIU/ml). A limited number of studies investigated host genetics of the response to HBV vaccine. To our knowledge, no comprehensive overview of genetic polymorphisms both within and outside the HLA system has been done so far. Aim. The aim of this study was to perform a systematic review of the literature of human genetics influencing immune response after hepatitis B vaccination. Methods. Literature searches using keywords were conducted in the electronic databases Medline, Embase and ISI Web of Science the cut-off date being March 2014. After selection of papers according to stringent inclusion criteria, relevant information was systematically collected from the remaining articles, including demographic data, number of patients, schedule and type of vaccine, phenotypes, genes and single nucleotide polymorphisms (SNPs) genotyping results and their association with immune response to hepatitis B vaccine. Results. The literature search produced a total of 1968 articles from which 46 studies were kept for further analyses. From these studies, data was extracted for 19 alleles from the human leukocyte antigen (HLA) region that were reported as significant at least twice. Among those alleles, 9 were firmly associated with vaccine response outcome (DQ2 [DQB1*02 and DQB1*0201], DR3 [DRB1*03 and DRB1*0301], DR7 [DRB1*07 and DRB1*0701], C4AQ0, DPB1*0401, DQ3, DQB1*06, DRB1*01 and DRB1*13 [DRB1*1301]). In addition, data was extracted for 55 different genes from which 13 extra-HLA genes had polymorphisms that were studied by different group of investigators or by the same group with a replication study. Among the 13 genes allowing comparison, 4 genes (IL-1B, IL-2, IL-4R and IL- 6) revealed no significant data, 6 genes (IL-4, IL-10, IL-12B, IL-13, TNFA, IFNG and TLR2) were explored with inconsistent results and 2 genes (CD3Z and ITGAL) yielded promising results as their association with vaccine response was confirmed by a replication approach. Furthermore, this review produced a list of 46 SNPs from 26 genes that were associated with immune response to vaccine only once, providing novel candidates to be tested in datasets from existing genome-wide association studies (GWAS). Conclusion. To the best of our knowledge, this is the first systematic review of immunogenetic studies of response to hepatitis B vaccine. While this work reassesses the role of several HLA alleles on vaccine response outcome, the associations with polymorphisms in genes outside the HLA region were rather inconsistent. Moreover, this work produced a list of 46 significant SNPs that were reported by a single group of investigators, opening up some interesting possibilities for further research.