Role of nucleotides on lung epithelial cells : mechanism of release and development of a side-view microscopic chamber to study nucleotide-dependent airway surface liquid height

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Remodelage du muscle lisse péribronchique dans l’inflammation respiratoire chronique

Le souffle chez les chevaux et l’asthme chez l’humain sont des maladies respiratoires qui partagent plusieurs caractéristiques, notamment des épisodes de bronchospasme et de détresse respiratoire dus à une inflammation pulmonaire inappropriée en réponse à une inhalation de substances antigéniques. Les manifestations cliniques incluent des efforts respiratoires augmentés, des sifflements et de la toux. Au niveau des voies respiratoires, on observe une augmentation du muscle lisse péribronchique, une fibrose sous épithéliale, une métaplasie/hyperplasie épithéliale et du mucus en quantité augmentée. L’augmentation du muscle lisse est particulièrement importante car elle n’affecte pas seulement le calibre basal des voies respiratoires, mais elle accentue l’obstruction respiratoire lors de bronchoconstriction. Ces changements sont regroupés sous le terme de « remodelage » et sont associés à un déclin accéléré de la fonction respiratoire chez les patients asthmatiques. Alors que les traitements actuels contrôlent efficacement le bronchospasme et relativement bien l’inflammation, leurs effets sur le remodelage sont mal connus. Dans le cadre de thèse, la réversibilité du remodelage musculaire péribronchique a été investiguée chez des chevaux atteints du souffle dans deux études longitudinales. Ces études, faites principalement sur du tissu pulmonaire prélevé par thoracoscopie, sont difficilement réalisables chez l’humain pour des raisons éthiques, ou chez d’autres animaux, car ceux-ci présentent rarement une inflammation de type asthmatique de façon spontanée. Les résultats démontrent que les chevaux atteints du souffle ont approximativement deux fois plus de muscle péribronchique que les chevaux sains d’âge similaire gardés dans les mêmes conditions, et que la prolifération des myocytes contribue à cette augmentation. Ils démontrent aussi qu’une stimulation antigénique relativement brève chez des chevaux atteints du souffle depuis plusieurs années n’accentue pas le remodelage, ce qui suggère que l’augmentation du muscle lisse atteint un plateau. Nous avons également montré que le remodelage du muscle lisse chez des chevaux adultes est partiellement réversible et que cette réversibilité peut être accélérée par l’administration de corticostéroïdes par inhalation. Il semble toutefois qu’une portion du remodelage chronique est irréversible puisque les corticostéroïdes ont accéléré la diminution du muscle mais sans toutefois mener à une amélioration plus marquée au terme de l’étude qu’avec une modification environnementale stricte. La diminution de trente pourcent observée sur un an paraît modeste mais elle démontre clairement, et pour une première fois, que le remodelage du muscle lisse présent chez des chevaux adultes malades depuis plusieurs années est au moins partiellement réversible.

The anti-inflammatory properties of intravenous immunoglobulin in a murine model of allergic airway disease ; effects on the development of regulatory T-cells

Les immunoglobulines intraveineuses (IVIg) constituent une préparation polyclonale d’IgG isolée et regroupée à partir du plasma sanguin de multiples donneurs. Initialement utilisé comme traitement de remplacement chez les patients souffrant d’immunodéficience primaire ou secondaire, les IVIg sont maintenant largement utilisées dans le traitement de plusieurs conditions auto-immunes, allergiques ou inflammatoires à une dose élevée, dite immunomodulatrice. Différents mécanismes d’action ont été postulés au fil des années pour expliquer l’effet thérapeutique des IVIg dans les maladies auto-immunes et inflammatoires. Entre autre, un nombre grandissant de données issues de modèles expérimentaux chez l’animal et l’humain suggère que les IVIg induisent l’expansion et augmentent l’action suppressive des cellules T régulatrices (Tregs), par un mécanisme qui demeure encore inconnu. Également, les patients atteints de maladies auto-immunes ou inflammatoires présentent souvent un nombre abaissé de Tregs par rapport aux individus sains. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels les IVIg modulent les cellules T régulatrices est requise afin de permettre un usage plus rationnel de ce produit sanguin en tant qu’alternative thérapeutique dans le traitement des maladies auto-immunes et inflammatoires. Par le biais d’un modèle expérimental d’allergie respiratoire induite par un allergène, nous avons démontré que les IVIg diminuaient significativement l’inflammation au niveau des voies aériennes ce, en association avec une différenciation des Tregs à partir des cellules T non régulatrices du tissu pulmonaire. Nous avons également démontré qu’au sein de notre modèle expérimental, l’effet anti-inflammatoire des IVIg était dépendant des cellules dendritiques CD11c+ (CDs) pulmonaires, puisque cet effet pouvait être complètement reproduit par le transfert adoptif de CDs provenant de souris préalablement traitées par les IVIg. À cet effet, il est déjà établi que les IVIg peuvent moduler l’activation et les propriétés des CDs pour favoriser la tolérance immunitaire et que ces cellules seraient cruciales pour l’induction périphérique des Tregs. C’est pourquoi, nous avons cherché à mieux comprendre comment les IVIg exercent leur effet sur ces cellules. Pour la première fois, nous avons démontré que la fraction d’IgG riche en acide sialique (SA-IVIg) (constituant 2-5% de l’ensemble des IgG des donneurs) interagit avec un récepteur dendritique inhibiteur de type lectine C (DCIR) et active une cascade de signalement intracellulaire initiée par la phosphorylation du motif ITIM qui est responsable des changements observés en faveur de la tolérance immunitaire auprès des cellules dendritiques et des Tregs. L’activité anti-inflammatoire de la composante SA-IVIg a déjà été décrite dans des études antérieures, mais encore une fois le mécanisme par lequel ce traitement modifie la fonction des CDs n’a pas été établi. Nous avons finalement démontré que le récepteur DCIR facilite l’internalisation des molécules d’IgG liées au récepteur et que cette étape est cruciale pour permettre l’induction périphérique des Tregs. En tant que produit sanguin, les IVIg constitue un traitement précieux qui existe en quantité limitée. La caractérisation des mécanismes d’action des IVIg permettra une meilleure utilisation de ce traitement dans un vaste éventail de pathologies auto-immunes et inflammatoires.

Role of NOX2 and DUOX2 in the antiviral airway responses

Les voies respiratoires sont exposées à une panoplie de pathogènes. Lors d’une infection virale respiratoire les cellules qui recouvrent ces voies participent activement à la défense immunitaire contre ces derniers en limitant la propagation du virus et en engendrant une réponse proinflammatoire. Un évènement clef dans ces processus est l’activation des facteurs de transcription, notamment le « Nuclear Factor » (NF)-κB et l’« Interferon Regulatory Factor -3 » (IRF-3), qui régulent l’expression des cytokines antivirales et proinflammatoires. Des données récentes démontrent que les dérivés actifs de l’oxygène (ROS), produits suite à une infection virale, ont la capacité de réguler les voies de signalisation enclenchées par NF-κB et IRF-3. Une source importante de ROS est la famille de NADPH oxydases (NOX), qui contient les membres NOX1-5 et DUOX1 et 2. L’objectif de notre étude était d’identifier la NOX qui régule les mécanismes antiviraux et proinflammatoires suite à l’infection avec le virus respiratoire syncytial (RSV), qui cause des complications respiratoires majeures, et le virus Sendai (SeV), un modèle viral non-pathogène. Nos travaux ont permis d’identifier que NOX2 est une molécule clef dans la réponse proinflammatoire suite à l’infection virale. Plus spécifiquement, NOX2 est important pour l’activation de NF-κB et la sécrétion des cytokines régulées par ce dernier. De plus, nous avons observé une forte augmentation de la présence de DUOX2 dans les cellules de voies respiratoires humaines infectées par SeV. Une étude plus approfondie nous a permis de caractériser qu’une synergie entre deux cytokines secrétées lors de l’infection, soit l’interféron (IFN)β et le TNFα est responsable de l’induction de DUOX2. Nous avons aussi découvert que DUOX2 confère une activité antivirale et est nécessaire pour maintenir les taux des cytokines antivirales tardives IFNβ et IFNλ. Lors d’une infection avec RSV, l’induction de DUOX2 n’est pas détectable. Nous avons mis en évidence que RSV interfère avec l’expression de DUOX2 ce qui pourrait suggérer sa pathogénicité. En conclusion, nos travaux démontrent pour la première fois une implication spécifique des NADPH oxydase NOX2 et DUOX suite aux infections virales respiratoires.

Fonction de CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium des voies aériennes et développement de nouvelles stratégies thérapeutiques en fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations dans le gène codant pour le canal CFTR. La mutation la plus commune est la délétion du résidu Phe508 (∆F508), qui entraîne un mauvais repliement et la dégradation de la protéine mutée. Ainsi, l’absence du CFTR cause un dysfonctionnement du transport ionique et liquidien qui altère le phénomène de clairance mucociliaire. Il en résulte une accumulation de mucus visqueux obstruant les voies aériennes favorisant une colonisation bactérienne, spécialement par P. aeruginosa, et une inflammation chronique. Ces phénomènes entraînent des lésions épithéliales et un remodelage des voies aériennes. Selon nos analyses ultrastructurales de poumons issus de patients FK au moment de la transplantation, certaines zones de l’épithélium FK montrait des signes de d’initiation des processus de réparation. Malgré cela, un dommage épithélial progressif est observé chez les patients FK et il apparaît évident que les processus de réparation sont insuffisants pour permettre le rétablissement de l’intégrité épithéliale. Le principal objectif de mon étude était d’étudier le rôle du CFTR dans les mécanismes de réparation de l’épithélium FK et de déterminer l’impact de la correction du CFTR sur la réparation épithéliale et ce, en condition aseptique et en présence d’infection. Mes travaux montrent que l’épithélium des voies aériennes FK présente un défaut de réparation, associé, du moins en partie, à l’absence d’un CFTR fonctionnel. De plus, nous avons démontré pour la première fois que l’application du correcteur du CFTR VRT-325 permettait, non seulement, la maturation du CFTR, mais également une amélioration de la capacité des monocouches de cellules des voies aériennes FK à se réparer. D’autre part, nous avons montré que la présence du filtrat bactérien de P. aeruginosa (PsaDM) altérait non seulement l’expression et la fonction du CFTR, mais également les processus de réparation épithéliale. Enfin, nos résultats montrent que l’infection affecte la maturation du CFTR induite par le VRT-325 et diminue les effets bénéfiques du VRT-325 sur la réparation épithéliale. Mes travaux permettent de mieux comprendre le rôle du CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium FK et de proposer une nouvelle approche thérapeutique visant à promouvoir la régénération épithéliale chez les patients FK afin de tenter de stabiliser leur état, malgré l’effet délétère de la composante infectieuse.

Impact de l’hyperglycémie et de l’infection sur le transport ionique, la réparation épithéliale et l’action des correcteurs dans les voies aériennes en Fibrose kystique

La Fibrose kystique (FK), causée par des mutations du canal Cl- CFTR, entraîne une dysfonction de la sécrétion de Cl- et un débalancement dans la sécrétion des fluides. La diminution de la clairance mucociliaire qui s’en suit occasionne une accumulation du mucus. Cet environnement est alors favorable à l’installation d’infections et d’inflammation chroniques, responsables de lésions au niveau de l’épithélium respiratoire. Le vieillissement de la population FK, suite à la prise en charge plus appropriée de la maladie, est accompagné par l’émergence de pathologies associées, telles que le diabète. Celui-ci, ainsi que plusieurs autres facteurs comme l’infection à Pseudomonas aeruginosa, contribuent au déclin progressif de la fonction pulmonaire, principale cause de mortalité et de morbidité des patients FK. Le maintien de la fonction pulmonaire est dépendant notamment du transport ionique et liquidien régulant la clairance mucociliaire ainsi que de la réparation épithéliale nécessaire à la génération d’un épithélium fonctionnel en réponse aux agressions. Nous avons donc évalué l’impact de l’hyperglycémie et des exoproduits de P. aeruginosa sur ces deux mécanismes. Nos résultats ont tout d’abord montré qu’un niveau de glucose élevé diminue les courants Cl- CFTR et potassique et altère la réparation de l’épithélium bronchique FK et non FK. Nous avons aussi observé que l’hyperglycémie limite l’impact bénéfique de la correction de CFTR sur la réparation épithéliale. Dans un second temps, nous avons évalué l’impact de l’infection à Pseudomonas aeruginosa sur le CFTR, qui tient un rôle important dans la fonctionnalité de l’épithélium des voies aériennes non-FK. Nous avons noté que l’expression du CFTR ainsi que sa fonction sont réduites par l’exposition aux produits bactériens dans les cellules non-FK. De plus, ces exoproduits compromettent la maturation du CFTR muté par les correcteurs ainsi que leur bénéfice sur la réparation de l’épithélium FK. Finalement, nous avons testé différentes combinaisons de composés correcteurs et potentiateurs de CFTR afin de déterminer quelle stratégie serait la plus efficace afin de favoriser la réparation épithéliale bronchique FK malgré la présence d’infection.

Mutations in H5N1 influenza virus hemagglutinin that confer binding to human tracheal airway epithelium

The emergence in 2009 of a swine-origin H1N1 influenza virus as the first pandemic of the 21st Century is a timely reminder of the international public health impact of influenza viruses, even those associated with mild disease. The widespread distribution of highly pathogenic H5N1 influenza virus in the avian population has spawned concern that it may give rise to a human influenza pandemic. The mortality rate associated with occasional human infection by H5N1 virus approximates 60%, suggesting that an H5N1 pandemic would be devastating to global health and economy. To date, the H5N1 virus has not acquired the propensity to transmit efficiently between humans. The reasons behind this are unclear, especially given the high mutation rate associated with influenza virus replication. Here we used a panel of recombinant H5 hemagglutinin (HA) variants to demonstrate the potential for H5 HA to bind human airway epithelium, the predominant target tissue for influenza virus infection and spread. While parental H5 HA exhibited limited binding to human tracheal epithelium, introduction of selected mutations converted the binding profile to that of a current human influenza strain HA. Strikingly, these amino-acid changes required multiple simultaneous mutations in the genomes of naturally occurring H5 isolates. Moreover, H5 HAs bearing intermediate sequences failed to bind airway tissues and likely represent mutations that are an evolutionary "dead end." We conclude that, although genetic changes that adapt H5 to human airways can be demonstrated, they may not readily arise during natural virus replication. This genetic barrier limits the likelihood that current H5 viruses will originate a human pandemic.

Infection of human airway epithelium by human and avian strains of influenza a virus

We describe the characterization of influenza A virus infection of an established in vitro model of human pseudostratified mucociliary airway epithelium (HAE). Sialic acid receptors for both human and avian viruses, alpha-2,6- and alpha-2,3-linked sialic acids, respectively, were detected on the HAE cell surface, and their distribution accurately reflected that in human tracheobronchial tissue. Nonciliated cells present a higher proportion of alpha-2,6-linked sialic acid, while ciliated cells possess both sialic acid linkages. Although we found that human influenza viruses infected both ciliated and nonciliated cell types in the first round of infection, recent human H3N2 viruses infected a higher proportion of nonciliated cells in HAE than a 1968 pandemic-era human virus, which infected proportionally more ciliated cells. In contrast, avian influenza viruses exclusively infected ciliated cells. Although a broad-range neuraminidase abolished infection of HAE by human parainfluenza virus type 3, this treatment did not significantly affect infection by influenza viruses. All human viruses replicated efficiently in HAE, leading to accumulation of nascent virus released from the apical surface between 6 and 24 h postinfection with a low multiplicity of infection. Avian influenza A viruses also infected HAE, but spread was limited compared to that of human viruses. The nonciliated cell tropism of recent human H3N2 viruses reflects a preference for the sialic acid linkages displayed on these cell types and suggests a drift in the receptor binding phenotype of the H3 hemagglutinin protein as it evolves in humans away from its avian virus precursor.

The adrenal secretory serine protease AsP is a short secretory isoform of the transmembrane airway trypsin-like protease

To further elucidate the role of proteases capable of cleaving N-terminal proopiomelanocortin (N-POMC)-derived peptides, we have cloned two cDNAs encoding isoforms of the airway trypsin-like protease (AT) from mouse (MAT) and rat ( RAT), respectively. The open reading frames comprise 417 amino acids (aa) and 279 aa. The mouse AT gene was located at chromosome 5E1 and contains 10 exons. The longer isoform, which we designated MAT1 and RAT1, has a simple type II transmembrane protein structure, consisting of a short cytoplasmic domain, a transmembrane domain, a SEA (63-kDa sea urchin sperm protein, enteropeptidase, agrin) module, and a serine protease domain. The human homolog of MAT1 and RAT1 is the human AT ( HAT). The shorter isoform, designated MAT2 and RAT2, which contains an alternative N terminus, was formerly described in the rat as adrenal secretory serine protease (AsP) and has been shown to be involved in the processing of N-POMC-derived peptides. In contrast to the long isoform, neither MAT2 and RAT2 ( AsP) contain a transmembrane domain nor a SEA domain but an N-terminal signal peptide to direct the enzyme to the secretory pathway. The C terminus, covering the catalytic triad, is identical in both isoforms. Immunohistochemically, MAT/RAT was predominantly expressed in tissues of the upper gastrointestinal and the respiratory tract - but also in the adrenal gland. Moreover, isoform-specific RT-PCR and quantitative PCR analysis revealed a complex expression pattern of the two isoforms with differences between mice and rats. These findings indicate a multifunctional role of these proteases beyond adrenal proliferation.

Deposition of charged inhaled aerosols with transient airflow in sequential lung airway model

Transport and deposition of charged inhaled aerosols in double planar bifurcation representing generation three to five of human respiratory system has been studied under a light activity breathing condition. Both steady and oscillatory laminar inhalation airflow is considered. Particle trajectories are calculated using a Lagrangian reference frame, which is dominated by the fluid force driven by airflow, gravity force and electrostatic forces (both of space and image charge forces). The particle-mesh method is selected to calculate the space charge force. This numerical study investigates the deposition efficiency in the three-dimensional model under various particle sizes, charge values, and inlet particle distribution. Numerical results indicate that particles carrying an adequate level of charge can improve deposition efficiency in the airway model.

Impact of gut passage and mucus secretion by the earthworm Lumbricus terrestris on mobility and speciation of arsenic in contaminated soil

Earthworms inhabiting arsenic contaminated soils may accelerate the leaching of As into surface and ground waters. We carried out three experiments to determine the impact of passage of As contaminated soil (1150 mgAs kg−1) through the gut of the earthworm Lumbricus terrestris on the mobility and speciation of As and the effects of earthworm mucus on As mobility. The concentration of water soluble As in soil increased (from 1.6 to 18 mg kg−1) after passage through the earthworm gut. Casts that were aged for 56 days still contained more than nine times greater water soluble As than bulk earthworm inhabited soil. Changes were due to increases in As(V) mobility, with no change in As(III). Dilute mucus extracts reduced As mobility through the formation of As-amino acid-iron oxide ternary complexes. More concentrated mucus extracts increased As mobility. These changes, together with those due to the passage through the gut, were due to increases in pH, phosphate and soluble organic carbon. The mobilisation of As from contaminated soils in the environment by cast production and mucus secretion may allow for accelerated leaching or uptake into biota which is underestimated when bulk soil samples are analysed and the influence of soil biota ignored.

A single amino acid in the HA of pH1N1 2009 influenza virus affects cell tropism in human airway epithelium, but not transmission in ferrets

The first pandemic of the 21(st) century, pandemic H1N1 2009 (pH1N1 2009), emerged from a swine-origin source. Although human infections with swine-origin influenza have been reported previously, none went on to cause a pandemic or indeed any sustained human transmission. In previous pandemics, specific residues in the receptor binding site of the haemagglutinin (HA) protein of influenza have been associated with the ability of the virus to transmit between humans. In the present study we investigated the effect of residue 227 in HA on cell tropism and transmission of pH1N1 2009. In pH1N1 2009 and recent seasonal H1N1 viruses this residue is glutamic acid, whereas in swine influenza it is alanine. Using human airway epithelium, we show a differential cell tropism of pH1N1 2009 compared to pH1N1 2009 E227A and swine influenza suggesting this residue may alter the sialic acid conformer binding preference of the HA. Furthermore, both pH1N1 2009 E227A and swine influenza multi-cycle viral growth was found to be attenuated in comparison to pH1N1 2009 in human airway epithelium. However this altered tropism and viral growth in human airway epithelium did not abrogate respiratory droplet transmission of pH1N1 2009 E227A in ferrets. Thus, acquisition of E at residue 227 was not solely responsible for the ability of pH1N1 2009 to transmit between humans.

Protease-activated receptor 2 mediates eosinophil infiltration and hyperreactivity in allergic inflammation of the airway

Trypsin and mast cell tryptase can signal to epithelial cells, myocytes, and nerve fibers of the respiratory tract by cleaving proteinase-activated receptor 2 (PAR2). Since tryptase inhibitors are under development to treat asthma, a precise understanding of the contribution of PAR2 to airway inflammation is required. We examined the role of PAR2 in allergic inflammation of the airway by comparing OVA-sensitized and -challenged mice lacking or overexpressing PAR2. In wild-type mice, immunoreactive PAR2 was detected in airway epithelial cells and myocytes, and intranasal administration of a PAR2 agonist stimulated macrophage infiltration into bronchoalveolar lavage fluid. OVA challenge of immunized wild-type mice stimulated infiltration of leukocytes into bronchoalveolar lavage and induced airway hyperreactivity to inhaled methacholine. Compared with wild-type animals, eosinophil infiltration was inhibited by 73% in mice lacking PAR2 and increased by 88% in mice overexpressing PAR2. Similarly, compared with wild-type animals, airway hyperreactivity to inhaled methacholine (40 micro g/ml) was diminished 38% in mice lacking PAR2 and increased by 52% in mice overexpressing PAR2. PAR2 deletion also reduced IgE levels to OVA sensitization by 4-fold compared with those of wild-type animals. Thus, PAR2 contributes to the development of immunity and to allergic inflammation of the airway. Our results support the proposal that tryptase inhibitors and PAR2 antagonists may be useful therapies for inflammatory airway disease.