Conditioned polarized Caco-2 cell monolayers allow to discriminate for the ability of gut-derived microorganisms to modulate permeability and antigen-induced basophil degranulation.

BACKGROUND: Food allergy is a common allergic disorder--especially in early childhood. The avoidance of the allergenic food is the only available method to prevent further reactions in sensitized patients. A better understanding of the immunologic mechanisms involved in this reaction would help to develop therapeutic approaches applicable to the prevention of food allergy. OBJECTIVE: To establish a multi-cell in vitro model of sensitized intestinal epithelium that mimics the intestinal epithelial barrier to study the capacity of probiotic microorganisms to modulate permeability, translocation and immunoreactivity of ovalbumin (OVA) used as a model antigen. METHODS: Polarized Caco-2 cell monolayers were conditioned by basolateral basophils and used to examine apical to basolateral transport of OVA by ELISA. Activation of basophils with translocated OVA was measured by beta-hexosaminidase release assay. This experimental setting was used to assess how microorganisms added apically affected these parameters. Basolateral secretion of cytokine/chemokines by polarized Caco-2 cell monolayers was analysed by ELISA. RESULTS: Basophils loaded with OVA-specific IgE responded to OVA in a dose-dependent manner. OVA transported across polarized Caco-2 cell monolayers was found to trigger basolateral basophil activation. Microorganisms including lactobacilli and Escherichia coli increased transepithelial electrical resistance while promoting OVA passage capable to trigger basophil activation. Non-inflammatory levels of IL-8 and thymic stromal lymphopoietin were produced basolaterally by Caco-2 cells exposed to microorganisms. CONCLUSION: The complex model designed in here is adequate to learn about the consequence of the interaction between microorganisms and epithelial cells vis-a-vis the barrier function and antigen translocation, two parameters essential to mucosal homeostasis. It can further serve as a direct tool to search for microorganisms with anti-allergic and anti-inflammatory properties.

Polymeric IgA is superior to monomeric IgA and IgG carrying the same variable domain in preventing Clostridium difficile toxin A damaging of T84 monolayers.

The two exotoxins A and B produced by Clostridium difficile are responsible for antibiotic-associated enterocolitis in human and animals. When added apically to human colonic carcinoma-derived T84 cell monolayers, toxin A, but not toxin B, abolished the transepithelial electrical resistance and altered the morphological integrity. Apical addition of suboptimal concentration of toxin A made the cell monolayer sensitive to toxin B. Both toxins induced drastic and rapid epithelial alterations when applied basolaterally with a complete disorganization of tight junctions and vacuolization of the cells. Toxin A-specific IgG2a from hybridoma PCG-4 added apically with toxin A alone or in combination with toxin B abolished the toxin-induced epithelial alterations for up to 8 h. The Ab neutralized basolateral toxin A for 4 h, but not the mixture of the two toxins. Using an identical Ab:Ag ratio, we found that recombinant polymeric IgA (IgAd/p) with the same Fv fragments extended protection against toxin A for at least 24 h in both compartments. In contrast, the recombinant monomeric IgA counterpart behaved as the PCG-4 IgG2a Ab. The direct comparison between different Ig isotype and molecular forms, but of unique specificity, demonstrates that IgAd/p Ab is more efficient in neutralizing toxin A than monomeric IgG and IgA. We conclude that immune protection against C. difficile toxins requires toxin A-specific secretory Abs in the intestinal lumen and IgAd/p specific for both toxins in the lamina propria.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Agglutinating Secretory IgA Preserves Intestinal Epithelial Cell Integrity during Apical Infection by Shigella flexneri.

Shigella flexneri, by invading intestinal epithelial cells (IECs) and inducing inflammatory responses of the colonic mucosa, causes bacillary dysentery. Although M cells overlying Peyer's patches are commonly considered the primary site of entry of S. flexneri, indirect evidence suggests that bacteria can also use IECs as a portal of entry to the lamina propria. Passive delivery of secretory IgA (SIgA), the major immunoglobulin secreted at mucosal surfaces, has been shown to protect rabbits from experimental shigellosis, but no information exists as to its molecular role in maintaining luminal epithelial integrity. We have established that the interaction of virulent S. flexneri with the apical pole of a model intestinal epithelium consisting of polarized Caco-2 cell monolayers resulted in the progressive disruption of the tight junction network and actin depolymerization, eventually resulting in cell death. The lipopolysaccharide (LPS)-specific agglutinating SIgAC5 monoclonal antibody (MAb), but not monomeric IgAC5 or IgGC20 MAbs of the same specificity, achieved protective functions through combined mechanisms, including limitation of the interaction between S. flexneri and epithelial cells, maintenance of the tight junction seal, preservation of the cell morphology, reduction of NF-κB nuclear translocation, and inhibition of proinflammatory mediator secretion. Our results add to the understanding of the function of SIgA-mediated immune exclusion by identifying a mode of action whereby the formation of immune complexes translates into maintenance of the integrity of epithelial cells lining the mucosa. This novel mechanism of protection mediated by SIgA is important to extend the arsenal of effective strategies to fight against S. flexneri mucosal invasion.

Polarity of endogenous and exogenous glycosyl-phosphatidylinositol-anchored membrane proteins in Madin-Darby canine kidney cells.

Madin-Darby canine kidney cells (MDCK) were transfected with a cDNA encoding the glycosyl-phosphatidylinositol (GPI)-anchored protein mouse Thy-1 in order to study the steady-state surface distribution of exogenous and endogenous GPI-linked proteins. Immunofluorescence of transfected cells grown on collagen-coated coverslips showed that expression of Thy-1 was variable throughout the epithelium, with some cells expressing large amounts of Thy-1 adjacent to very faintly staining cells. Selective surface iodination of cells grown on collagen-coated or uncoated transwell filters followed by immunoprecipitation of Thy-1 demonstrated that all the Thy-1 was present exclusively in the apical plasma membrane. Although cells grown on uncoated filters had much smaller amounts of Thy-1, it was consistently localized on the apical surfaces. Immunofluorescent localization of Thy-1 on 1 micron frozen sections of filter-grown cells demonstrated that all the Thy-1 was on the apical surface and there was no detectable intracellular pool. Phosphatidylinositol-specific phospholipase C digestion of intact iodinated monolayers released Thy-1 only into the apical medium, indicating that Thy-1 was processed normally in transfected cells and was anchored by a GPI-tail. In agreement with previous findings, endogenous GPI-linked proteins were found only on the apical plasma membrane. These results suggest that there is a common mechanism for sorting and targeting of GPI-linked proteins in polarized epithelial cells.

An infrared reflection-absorption spectroscopic (IRRAS) study of the interaction of lipid A and lipopolysaccharide Re with endotoxin-binding proteins.

Lipopolysaccharides (LPS, endotoxins) are main constituents of the outer membranes of Gram-negative bacteria, with the 'endotoxic principle' lipid A anchoring LPS into the membrane. When LPS is removed from the bacteria by the action of the immune system or simply by cell dividing, it may interact strongly with immunocompetent cells such as mononuclear cells. This interaction may lead, depending on the LPS concentration, to beneficial (at low) or pathophysiological (at high concentrations) reactions, the latter frequently causing the septic shock syndrome. There is a variety of endogenous LPS-binding proteins. To this class belong lactoferrin (LF) and hemoglobin (Hb), which have been shown to suppress and enhance the LPS-induced cytokine secretion in mononuclear cells, respectively. To elucidate the interaction mechanisms of endotoxins with these proteins, we have investigated in an infrared reflection-absorption spectroscopy (IRRAS) study the interaction of LPS or lipid A monolayers at the air/water interface with LF and Hb proteins, injected into the aqueous subphase. The data are clearly indicative of completely different interaction mechanisms of the endotoxins with the proteins, with the LF acting only at the LPS backbone, whereas Hb incorporates into the lipid monolayer. These data allow an understanding of the different reactivities in the biomedicinal systems.

Human Plasma-derived Polymeric IgA and IgM Antibodies Associate with Secretory Component to Yield Biologically Active Secretory-like Antibodies.

Immunotherapy with monoclonal and polyclonal immunoglobulin is successfully applied to improve many clinical conditions, including infection, autoimmune diseases, or immunodeficiency. Most immunoglobulin products, recombinant or plasma-derived, are based on IgG antibodies, whereas to date, the use of IgA for therapeutic application has remained anecdotal. In particular, purification or production of large quantities of secretory IgA (SIgA) for potential mucosal application has not been achieved. In this work, we sought to investigate whether polymeric IgA (pIgA) recovered from human plasma is able to associate with secretory component (SC) to generate SIgA-like molecules. We found that ∼15% of plasma pIgA carried J chain and displayed selective SC binding capacity either in a mixture with monomeric IgA (mIgA) or after purification. The recombinant SC associated covalently in a 1:1 stoichiometry with pIgA and with similar efficacy as colostrum-derived SC. In comparison with pIgA, the association with SC delayed degradation of SIgA by intestinal proteases. Similar results were obtained with plasma-derived IgM. In vitro, plasma-derived IgA and SIgA neutralized Shigella flexneri used as a model pathogen, resulting in a delay of bacteria-induced damage targeted to polarized Caco-2 cell monolayers. The sum of these novel data demonstrates that association of plasma-derived IgA or IgM with recombinant/colostrum-derived SC is feasible and yields SIgA- and SIgM-like molecules with similar biochemical and functional characteristics as mucosa-derived immunoglobulins.

Increased efflux of amyloid-β peptides through the blood-brain barrier by muscarinic acetylcholine receptor inhibition reduces pathological phenotypes in mouse models of brain amyloidosis.

The formation and accumulation of toxic amyloid-β peptides (Aβ) in the brain may drive the pathogenesis of Alzheimer's disease. Accordingly, disease-modifying therapies for Alzheimer's disease and related disorders could result from treatments regulating Aβ homeostasis. Examples are the inhibition of production, misfolding, and accumulation of Aβ or the enhancement of its clearance. Here we show that oral treatment with ACI-91 (Pirenzepine) dose-dependently reduced brain Aβ burden in AβPPPS1, hAβPPSL, and AβPP/PS1 transgenic mice. A possible mechanism of action of ACI-91 may occur through selective inhibition of muscarinic acetylcholine receptors (AChR) on endothelial cells of brain microvessels and enhanced Aβ peptide clearance across the blood-brain barrier. One month treatment with ACI-91 increased the clearance of intrathecally-injected Aβ in plaque-bearing mice. ACI-91 also accelerated the clearance of brain-injected Aβ in blood and peripheral tissues by favoring its urinal excretion. A single oral dose of ACI-91 reduced the half-life of interstitial Aβ peptide in pre-plaque mhAβPP/PS1d mice. By extending our studies to an in vitro model, we showed that muscarinic AChR inhibition by ACI-91 and Darifenacin augmented the capacity of differentiated endothelial monolayers for active transport of Aβ peptide. Finally, ACI-91 was found to consistently affect, in vitro and in vivo, the expression of endothelial cell genes involved in Aβ transport across the Blood Brain Brain (BBB). Thus increased Aβ clearance through the BBB may contribute to reduced Aβ burden and associated phenotypes. Inhibition of muscarinic AChR restricted to the periphery may present a therapeutic advantage as it avoids adverse central cholinergic effects.

Junctional adhesion molecule-2 (JAM-2) promotes lymphocyte transendothelial migration.

The molecular mechanisms underlying lymphocyte extravasation remain poorly characterized. We have recently identified junctional adhesion molecule-2 (JAM-2), and have shown that antibodies to JAM-2 stain high endothelial venules (HEVs) within lymph nodes and Peyer patches of adult mice. Here we show that mouse lymphocytes migrate in greater numbers across monolayers of endothelioma cells transfected with JAM-2. The significance of these findings to an understanding of both normal and pathologic lymphocyte extravasation prompted us to clone the human homologue of JAM-2. We herein demonstrate that an anti-JAM-2 antibody, or a soluble JAM-2 molecule, blocks the transmigration of primary human peripheral blood leukocytes across human umbilical vein endothelial cells expressing endogenous JAM-2. Furthermore, we show that JAM-2 is expressed on HEVs in human tonsil and on a subset of human leukocytes, suggesting that JAM-2 plays a central role in the regulation of transendothelial migration.

Reconstituted human polyclonal plasma-derived secretory-like IgM and IgA maintain the barrier function of epithelial cells infected with an enteropathogen.

Intravenous administration of polyclonal and monoclonal antibodies has proven to be a clinically valid approach in the treatment, or at least relief, of many acute and chronic pathologies, such as infection, immunodeficiency, and a broad range of autoimmune conditions. Plasma-derived IgG or recombinant IgG are most frequently used for intravenous or subcutaneous administration, whereas a few IgM-based products are available as well. We have established recently that secretory-like IgA and IgM can be produced upon association of plasma-derived polymeric IgA and IgM with a recombinant secretory component. As a next step toward potential future mucosal administration, we sought to unravel the mechanisms by which these secretory Igs protect epithelial cells located at the interface between the environment and the inside of the body. By using polarized epithelial Caco-2 cell monolayers and Shigella flexneri as a model enteropathogen, we found that polyspecific plasma-derived SIgA and SIgM fulfill many protective functions, including dose-dependent recognition of the antigen via formation of aggregated immune complexes, reduction of bacterial infectivity, maintenance of epithelial cell integrity, and inhibition of proinflammatory cytokine/chemokine production by epithelial cells. In this in vitro model devoid of other cellular or molecular interfering partners, IgM and secretory IgM showed stronger bacterial neutralization than secretory IgA. Together, these data suggest that mucosally delivered antibody preparations may be most effective when combining both secretory-like IgA and IgM, which, together, play a crucial role in preserving several levels of epithelial cell integrity.

Novel Chlamydiales strains isolated from a water treatment plant.

Chlamydiae are obligate intracellular bacteria infecting free-living amoebae, vertebrates and some invertebrates. Novel members are regularly discovered, and there is accumulating evidence supporting a very important diversity of chlamydiae in the environment. In this study, we investigated the presence of chlamydiae in a drinking water treatment plant. Samples were used to inoculate Acanthamoeba monolayers (Acanthamoeba co-culture), and to recover autochthonous amoebae onto non-nutritive agar. Chlamydiae were searched for by a pan-chlamydia 16S rRNA gene PCR from both Acanthamoeba co-cultures and autochthonous amoebae, and phylotypes determined by 16S rRNA gene sequencing. Autochthonous amoebae also were identified by 18S rRNA gene amplification and sequencing. From a total of 79 samples, we recovered eight chlamydial strains by Acanthamoeba co-culture, but only one of 28 amoebae harboured a chlamydia. Sequencing results and phylogenetic analysis showed our strains belonging to four distinct chlamydial lineages. Four strains, including the strain recovered within its natural host, belonged to the Parachlamydiaceae; two closely related strains belonged to the Criblamydiaceae; two distinct strains clustered with Rhabdochlamydia spp.; one strain clustered only with uncultured environmental clones. Our results confirmed the usefulness of amoeba co-culture to recover novel chlamydial strains from complex samples and demonstrated the huge diversity of chlamydiae in the environment, by identifying several new species including one representing the first strain of a new family.

Vasopressin-dependent coupling between sodium transport and water flow in a mouse cortical collecting duct cell line.

Water balance is achieved through the ability of the kidney to control water reabsorption in the connecting tubule and the collecting duct. In a mouse cortical collecting duct cell line (mCCD(c11)), physiological concentrations of arginine vasopressin increased both electrogenic, amiloride-sensitive, epithelial sodium channel (ENaC)-mediated sodium transport measured by the short-circuit current (Isc) method and water flow (Jv apical to basal) measured by gravimetry with similar activation coefficient K(1/2) (6 and 12 pM, respectively). Jv increased linearly according to the osmotic gradient across the monolayer. A small but highly significant Jv was also measured under isoosmotic conditions. To test the coupling between sodium reabsorption and water flow, mCCD(c11) cells were treated for 24 h under isoosmotic condition with either diluent, amiloride, vasopressin or vasopressin and amiloride. Isc, Jv, and net chemical sodium fluxes were measured across the same monolayers. Around 30% of baseline and 50% of vasopressin-induced water flow is coupled to an amiloride-sensitive, ENaC-mediated, electrogenic sodium transport, whereas the remaining flow is coupled to an amiloride-insensitive, nonelectrogenic sodium transport mediated by an unknown electroneutral transporter. The mCCD(c11) cell line is a first example of a mammalian tight epithelium allowing quantitative study of the coupling between sodium and water transport. Our data are consistent with the 'near isoosmotic' fluid transport model.

Generation of reconstituted human plasma-derived secretory-like IgA and IgM and their protective effect on intestinal epithelium

Les muqueuses sont les membranes tapissant les cavités du corps, tel que le tube digestif, et sont en contact direct avec l'environnement extérieur. Ces surfaces subissent de nombreuses agressions pouvant être provoquées par des agents pathogènes (bactéries, toxines ou virus). Cela étant, les muqueuses sont munies de divers mécanismes de protection dont notamment deux protéines-clés permettant de neutraliser les agents pathogènes : les anticorps ou immunoglobulines sécrétoires A (SIgA) et M (SIgM). Ces anticorps sont, d'une part, fabriqués au niveau de la muqueuse sous forme d'IgA et IgM. Lorsqu'ils sont sécrétés dans l'intestin, ils se lient à une protéine appelée pièce sécrétoire et deviennent ainsi SIgA et SïgM. La présence de la pièce sécrétoire est essentielle pour que les anticorps puissent fonctionner au niveau de la muqueuse. D'autre part, ces anticorps sont également fabriqués dans d'autres parties du corps en général et se retrouvent dans le sang sous forme d'IgA et IgM Chez l'homme, des thérapies basées sur l'injection d'anticorps donnent de bons résultats depuis de nombreuses années notamment dans le traitement des infections. Bien qu'un certain nombre d'études ont montré le rôle protecteur des anticorps de type IgA et IgM, ceux-ci ne sont que rarement utilisés dans les thérapies actuelles. La principale raison de cette faible utilisation réside dans la production ou la purification des IgA/IgM ou SIgA/SIgM (la forme active au niveau des muqueuses) qui est difficile à réaliser à large échelle. Ainsi, le but de la thèse était (1) d'étudier la possibilité d'employer des IgA et des IgM provenant du sang humain pour générer des SIgA et SIgM et (2) de voir si ces anticorps reconstitués pouvaient neutraliser certains agents pathogènes au niveau des muqueuses. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et des IgM issues du sang a été effectuée. Nous avons observé que ces anticorps avaient des caractéristiques similaires aux anticorps naturellement présents au niveau des muqueuses. De plus, nous avons confirmé que ces anticorps pouvaient être associés à une pièce sécrétoire produite en laboratoire pour ainsi donner des SIgA et SIgM reconstituées. Ensuite, la fonctionnalité des anticorps reconstitués a été testée grâce à un modèle de couche unique de cellules intestinales différenciées (monocouches) en laboratoire imitant la paroi de l'intestin. Ces monocouches ont été infectées par une bactérie pathogène, Shigella flexneri, responsable de la shigellose, une maladie qui provoque des diarrhées sanglantes chez l'homme. L'infection des monocouches par les bactéries seules ou combinées aux SIgA et SIgM reconstituées a été analysée. Nous avons observé que les dommages des cellules étaient moins importants lorsque les SIgA étaient présentes. Il apparaît que les SIgA neutralisent les bactéries en se fixant dessus, ce qui provoque leur agrégation, et diminuent l'inflammation des cellules. La protection s'est montrée encore plus efficace avec les SIgM. De plus, nous avons vu que les SIgA et SIgM pouvaient diminuer la sécrétion de facteurs nocifs produits par les bactéries. Utilisant le même modèle des monocouches, la fonctionnalité des IgA issues du sang humain a aussi été testée contre une toxine sécrétée par une bactérie appelée Clostridium diffìcile. Cette bactérie peut être présente naturellement dans l'intestin de personnes saines, cependant elle peut devenir pathogène dans certaines conditions et être à l'origine de diarrhées et d'inflammations de l'intestin via la sécrétion de toxines. Des préparations d'anticorps contenant une certaine proportion de SIgA reconstituées ont amené à une diminution des dommages et de l'inflammation des monocouches causés par la toxine. L'ensemble de ces résultats prometteurs, montrant que des SIgA et SIgM reconstituées peuvent protéger la paroi de l'intestin des infections bactériennes, nous conduisent à approfondir la recherche sur ces anticorps dans des modèles animaux. L'aboutissement de ce type de recherche permettrait de tester, par la suite, l'efficacité sur l'homme de traitements des infections des muqueuses par injection d'anticorps de type SIgA et SIgM reconstituées. Les muqueuses, telle que la muqueuse gastrointestinale, sont des surfaces constamment exposées à l'environnement et leur protection est garantie par une combinaison de barrières mécaniques, physicochimiques et immunologiques. Parmi les divers mécanismes de protection immunologiques, la réponse humorale spécifique joue un rôle prépondérant et est assurée par les immunoglobulines sécrétoires de type A (SIgA) et M (SIgM). Les thérapies basées sur l'administration d'IgG apportent d'importants bénéfices dans le domaine de la santé. Bien que des études sur les animaux aient montré que l'administration par voie muqueuse d'IgA polymérique (plgA) ou SIgA pouvaient protéger des infections, des IgA/SIgA n'ont été utilisées qu'occasionnellement dans les thérapies. De plus, des études précliniques et cliniques ont démontré que l'administration par voie systémique de préparations enrichies en IgM pouvait aussi protéger des infections. Cependant, l'administration par voie muqueuse d'IgM/SIgM purifiées n'a pas été examinée jusqu'à présent. La principale raison est que la purification ou là production des IgA/SIgA et IgM/SIgM est difficile à réaliser à large échelle. Le but de ce travail de thèse était d'examiner la possibilité d'associer des IgA et IgM polyclonals purifiées à partir du plasma humain avec une pièce sécrétoire recombinante humaine afin de générer des SIgA et SIgM reconstituées fonctionnelles. Tout d'abord, une analyse biochimique des IgA et IgM issues du plasma humain a été effectuée par buvardage de western et Chromatographie. Ces molécules avaient des caractéristiques biochimiques similaires à celles des immunoglobulines issues de la muqueuse. L'association entre plgA ou IgM issues du plasma humain et la pièce sécrétoire recombinante humaine a été confirmée, ainsi que la stoechiométrie 1:1 de l'association. Comme dans les conditions physiologiques, cette association permettait de retarder la dégradation des SIgA et SIgM reconstituées exposées à des protéases intestinales. Ensuite, la fonctionnalité et le mode d'action des IgA et IgM issues du plasma humain, ainsi que des SIgA et SIgM reconstituées, ont été explorés grâce à un modèle in vitro de monocouches de cellules intestinales épithéliales polarisées de type Caco-2, qui imite l'épithélium intestinal. Les monocouches ont été infectées par un pathogène entérique, Shigella flexneri, seul ou combiné aux immunoglobulines issues du plasma humain ou aux immunoglobulines sécrétoires reconstituées. Bien que les dommages des monocouches aient été retardés par les plgA et SIgA reconstituées, les IgM et SIgM reconstituées se sont montrées supérieures dans le maintien de l'intégrité des cellules. Une agrégation bactérienne et une diminution de l'inflammation des monocouches ont été observées avec les plgA et SIgA reconstituées. Ces effets étaient augmentés avec les IgM et SIgM reconstituées. De plus, il s'est révélé que les deux types d'immunoglobulines de type sécrétoire reconstituées agissaient directement sur la virulence des bactéries en réduisant leur sécrétion de facteurs de virulence. La fonctionnalité des IgA issues du plasma humain a aussi été testée contre la toxine A de Clostridium difficile grâce au même modèle de monocouches de cellules épithéliales. Nous avons démontré que des préparations enrichies en IgA provenant du plasma humain pouvaient diminuer les dommages et l'inflammation des monocouches induits par la toxine. L'ensemble de ces résultats démontrent que des IgA et IgM de type sécrétoire peuvent être générées à partir d'IgA et IgM issues du plasma humain en les associant à la pièce sécrétoire et que ces molécules protègent l'épithélium intestinal contre des bactéries pathogènes. Ces molécules pourraient dès lors être testées dans des modèles in vivo. Le but final serait de les utiliser chez l'homme à des fins d'immunisation passive dans le traitement de pathologies associées à la muqueuse telles que les infections. - Mucosal surfaces, such as gastrointestinal mucosa, are constantly exposed to the external environment and their protection is ensured by a combination of mechanical, physicochemical and immunological barriers. Among the various immunological defense mechanisms, specific humoral mucosal response plays a crucial role and is mediated by secretory immunoglobulins A (SIgA) and M (SIgM). Immunoglobulin therapy based on the administration of IgG molecules leads important health benefits. Even though animal studies have shown that mucosal application of polymeric IgA (plgA) or SIgA provided protection against infections, IgA/SIgA have been only used occasionally for therapeutic application. Moreover, preclinical and clinical studies have demonstrated that systemic administration of IgM-enriched preparations could also afford protection against infections. Nevertheless, mucosal application of purified IgM/SIgM has not been examined. The main reason is that the purification or production of IgA/SIgA and IgM/SIgM at large scale is difficult to achieve. The aim of this PhD project was to examine the possibility to associate polyclonal human plasma-derived IgA and IgM with recombinant human secretory component (SC) to generate functional secretoiy-like IgA and IgM. First, biochemical analysis of human plasma IgA and IgM was performed by western blotting and chromatography. These molecules exhibited the same biochemical features as mucosa-derived antibodies (Abs). The association between human plasma plgA or IgM and recombinant human SC was confirmed, as well as the 1:1 stoichiometry of association. Similarly to physiological conditions, this association delayed the degradation of secretory-like IgA or IgM by intestinal proteases. Secondly, the function activity and the mode of action of human plasma IgA and IgM, as well as secretory-like IgA and IgM were explored using an in vitro model of polarized intestinal epithelial Caco-2 cell monolayers mimicking intestinal epithelium. Cell monolayers were infected with an enteropathogen, Shigella flexneri, alone or in combination to plasma Abs or secretory-like Abs. Even though plasma plgA and secretoiy-like IgA resulted in a delay of bacteria-induced damages of cell monolayers, plasma IgM and secretory-like IgM were shown to be superior in maintenance of cell integrity. Polymeric IgA and secretory-like IgA induced bacterial aggregation and decreased cell monolayer inflammation, effects further amplified with IgM and secretory-like IgM. In addition, both secretory-like Abs directly impacted on bacterial virulence leading to a reduction in secretion of virulence factors by bacteria. The functionality of human plasma IgA was also tested against Clostridium difficile toxin A using Caco-2 cell monolayers. Human plasma IgA- enriched preparations led to a diminution of cell monolayer damages and a decrease of cellular inflammation induced by the toxin. The sum of these results demonstrates that secretory-like IgA and IgM can be generated from purified human plasma IgA and IgM associated to SC and that these molecules are functional to protect intestinal epithelium from bacterial infections. These molecules could be now tested using in vivo models. The final goal would be to use them by passive immunization in the treatment of mucosa-associated pathologies like infections in humans.

Evaluation of the interactions between multiwalled carbon nanotubes and caco-2 cells

The aim of this study was to determine whether multiwalled carbon nanotubes (MWNCT) are taken up by and are toxic to human intestinal enterocytes using the Caco-2 cell model. Caco-2 cells were exposed to 50 ?g/ml MWCNT (oxidized or pristine) for 24 h, and experiments were repeated in the presence of 2.5 mg/L natural organic matter. Cells displayed many of the properties that characterize enterocytes, such as apical microvilli, basolateral basement membrane, and glycogen. The cell monolayers also displayed tight junctions and electrical resistance. Exposure to pristine and oxidized MWCNT, with or without natural organic matter, did not markedly affect viability, which was assessed by measuring activity of released lactate dehydrogenase (LDH) and staining with propidium iodide. Ultrastructural analysis revealed some damage to microvilli colocalized with the MWCNT; however, neither type of MWCNT was taken up by Caco-2 cells. In contrast, pristine and oxidized MWCNT were taken up by the macrophage RAW 264.7 line. Our study suggests that intestinal enterocytes cells do not take up MWCNT. [Authors]

Validation of methane measurement using headspace-GC-MS and quantification by a stable isotope-labeled internal standard generated in situ.

A previous study has shown the possibility to identify methane (CH4 ) using headspace-GC-MS and quantify it with a stable isotope as internal standard. The main drawback of the GC-MS methods discussed in literature for CH4 measurement is the absence of a specific internal standard necessary to perform quantification. However, it becomes essential to develop a safer method to limit the manipulation of gaseous CH4 and to precisely control the injected amount of gas for spiking and calibration by comparison with external calibration. To avoid the manipulation of a stable isotope-labeled gas, we have chosen to generate a labeled gas as an internal standard in a vial on the basis of the formation of CH4 by the reaction of Grignard reagent methylmagnesium chloride with deuterated water. This method allows precise measurement of CH4 concentrations in gaseous sample as well as in a solid or a liquid sample after a thermodesorption step in a headspace vial. A full accuracy profile validation of this method is then presented.