CXCR4-activated astrocyte glutamate release via TNFalpha: amplification by microglia triggers neurotoxicity.

Astrocytes actively participate in synaptic integration by releasing transmitter (glutamate) via a calcium-regulated, exocytosis-like process. Here we show that this process follows activation of the receptor CXCR4 by the chemokine stromal cell-derived factor 1 (SDF-1). An extraordinary feature of the ensuing signaling cascade is the rapid extracellular release of tumor necrosis factor-alpha (TNFalpha). Autocrine/paracrine TNFalpha-dependent signaling leading to prostaglandin (PG) formation not only controls glutamate release and astrocyte communication, but also causes their derangement when activated microglia cooperate to dramatically enhance release of the cytokine in response to CXCR4 stimulation. We demonstrate that altered glial communication has direct neuropathological consequences and that agents interfering with CXCR4-dependent astrocyte-microglia signaling prevent neuronal apoptosis induced by the HIV-1 coat glycoprotein, gp120IIIB. Our results identify a new pathway for glia-glia and glia-neuron communication that is relevant to both normal brain function and neurodegenerative diseases.

Changing responsiveness to chemokines allows medullary plasmablasts to leave lymph nodes.

During T cell-dependent antibody responses lymph node B cells differentiate either to plasmablasts that grow in the medullary cords, or to blasts that proliferate in follicles forming germinal centers. Many plasmablasts differentiate to plasma cells locally, but some leave the medullary cords and migrate to downstream lymph nodes. To assess the basis for this migration, changes in the responsiveness of B cells to a range of chemokines have been studied as they differentiate. Naive B cells express high levels of CCR6, CCR7, CXCR4 and CXCR5. When activated B cells grow in follicles the expression of these chemokine receptors and the responsiveness to the respective chemokines is retained. During the extrafollicular response, plasmablast expression of CXCR5 and responsiveness to B-lymphocyte chemoattractant (CXCR5) as well as to secondary lymphoid tissue chemokine (CCR7) and stromal cell-derived factor (SDF)-1 (CXCR4) are lost while a weak response towards the CCR6 chemokine LARC is maintained. Despite losing responsiveness to SDF-1, extrafollicular plasmablasts still express high levels of CXCR4 on the cell surface. These results suggest that the combined loss of chemokine receptor expression and of chemokine responsiveness may be a necessary prerequisite for cells to migrate to the medullary cords and subsequently enter the efferent lymph.

Chemokine receptor trio: CXCR3, CXCR4 and CXCR7 crosstalk via CXCL11 and CXCL12.

Although chemokines are well established to function in immunity and endothelial cell activation and proliferation, a rapidly growing literature suggests that CXC Chemokine receptors CXCR3, CXCR4 and CXCR7 are critical in the development and progression of solid tumors. The effect of these chemokine receptors in tumorigenesis is mediated via interactions with shared ligands I-TAC (CXCL11) and SDF-1 (CXCL12). Over the last decade, CXCR4 has been extensively reported to be overexpressed in most human solid tumors and has earned considerable attention toward elucidating its role in cancer metastasis. To enrich the existing armamentarium of anti-cancerous agents, many inhibitors of CXCL12-CXCR4 axis have emerged as additional or alternative agents for neo-adjuvant treatments and even many of them are in preclinical and clinical stages of their development. However, the discovery of CXCR7 as another receptor for CXCL12 with rather high binding affinity and recent reports about its involvement in cancer progression, has questioned the potential of "selective blockade" of CXCR4 as cancer chemotherapeutics. Interestingly, CXCR7 can also bind another chemokine CXCL11, which is an established ligand for CXCR3. Recent reports have documented that CXCR3 and their ligands are overexpressed in different solid tumors and regulate tumor growth and metastasis. Therefore, it is important to consider the interactions and crosstalk between these three chemokine receptors and their ligand mediated signaling cascades for the development of effective anti-cancer therapies. Emerging evidence also indicates that these receptors are differentially expressed in tumor endothelial cells as well as in cancer stem cells, suggesting their direct role in regulating tumor angiogenesis and metastasis. In this review, we will focus on the signals mediated by this receptor trio via their shared ligands and their role in tumor growth and progression.

The role of osteoblasts in regulating hematopoietic stem cell activity and tumor metastasis

Bone marrow stromal cells are critical regulators of hematopoiesis. Osteoblasts are part of the stromal cell support system in bone marrow and may be derived from a common precursor. Several studies suggested that osteoblasts regulate hematopoiesis, yet the entire mechanism is not understood. It is clear, however, that both hematopoietic precursors and osteoblasts interact for the production of osteoclasts and the activation of resorption. We observed that hematopoietic stem cells (HSCs) regulate osteoblastic secretion of various growth factors, and that osteoblasts express some soluble factors exclusively in the presence of HSCs. Osteoblasts and hematopoietic cells are closely associated with each other in the bone marrow, suggesting a reciprocal relationship between them to develop the HSC niche. One critical component regulating the niche is stromal-derived factor-1 (SDF-1) and its receptor CXCR4 which regulates stem cell homing and, as we have recently demonstrated, plays a crucial role in facilitating those tumors which metastasize to bone. Osteoblasts produce abundant amounts of SDF-1 and therefore osteoblasts play an important role in metastasis. These findings are discussed in the context of the role of osteoblasts in marrow function in health and disease.

Adipose tissue-derived stem cells promote pancreatic cancer cell proliferation and invasion

To explore the effects of adipose tissue-derived stem cells (ADSCs) on the proliferation and invasion of pancreatic cancer cells in vitroand the possible mechanism involved, ADSCs were cocultured with pancreatic cancer cells, and a cell counting kit (CCK-8) was used to detect the proliferation of pancreatic cancer cells. ELISA was used to determine the concentration of stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) in the supernatants. RT-PCR was performed to detect the expression of the chemokine receptor CXCR4 in pancreatic cancer cells and ADSCs. An in vitro invasion assay was used to measure invasion of pancreatic cancer cells. SDF-1 was detected in the supernatants of ADSCs, but not in pancreatic cancer cells. Higher CXCR4 mRNA levels were detected in the pancreatic cancer cell lines compared with ADSCs (109.3±10.7 and 97.6±7.6 vs 18.3±1.7, respectively; P<0.01). In addition, conditioned medium from ADSCs promoted the proliferation and invasion of pancreatic cancer cells, and AMD3100, a CXCR4 antagonist, significantly downregulated these growth-promoting effects. We conclude that ADSCs can promote the proliferation and invasion of pancreatic cancer cells, which may involve the SDF-1/CXCR4 axis.

Cytokine expression patterns and mesenchymal stem cell karyotypes from the bone marrow microenvironment of patients with myelodysplastic syndromes

The purpose of this study was to explore cytokine expression patterns and cytogenetic abnormalities of mesenchymal stem cells (MSCs) from the bone marrow microenvironment of Chinese patients with myelodysplastic syndromes (MDS). Bone marrow samples were obtained from 30 cases of MDS (MDS group) and 30 healthy donors (control group). The expression pattern of cytokines was detected by customized protein array. The karyotypes of MSCs were analyzed using fluorescence in situ hybridization. Compared with the control group, leukemia inhibitory factor, stem cell factor (SCF), stromal cell-derived factor (SDF-1), bone morphogenetic protein 4, hematopoietic stem cell (HSC) stimulating factor, and transforming growth factor-β in the MDS group were significantly downregulated (P<0.05), while interferon-γ (IFN-γ), tumor necrosis factor-α (TNF-α), and programmed death ligand (B7-H1) were significantly upregulated (P<0.05). For chromosome abnormality analysis, the detection rate of abnormal karyotypes (+8, -8, -20, 20q-, -Y, -7, 5q-) was 30% in the MDS group and 0% in the control group. In conclusion, the up- and downregulated expression of these cytokines might play a key role in the pathogenesis of MDS. Among them, SCF and SDF-1 may play roles in the apoptosis of HSCs in MDS; and IFN-γ, TNF-α, and B7-H1 may be associated with apoptosis of bone marrow cells in MDS. In addition, the abnormal karyotypes might be actively involved in the pathogenesis of MDS. Further studies are required to determine the role of abnormal karyotypes in the occurrence and development of MDS.

Changes in circulating endothelial progenitor cells predict responses of multiple myeloma patients to treatment with bortezomib and dexamethasone

Four cycles of chemotherapy are required to assess responses of multiple myeloma (MM) patients. We investigated whether circulating endothelial progenitor cells (cEPCs) could be a biomarker for predicting patient response in the first cycle of chemotherapy with bortezomib and dexamethasone, so patients might avoid ineffective and costly treatments and reduce exposure to unwanted side effects. We measured cEPCs and stromal cell-derived factor-1α (SDF-1α) in 46 MM patients in the first cycle of treatment with bortezomib and dexamethasone, and investigated clinical relevance based on patient response after four 21-day cycles. The mononuclear cell fraction was analyzed for cEPC by FACS analysis, and SDF-1α was analyzed by ELISA. The study population was divided into 3 groups according to the response to chemotherapy: good responders (n=16), common responders (n=12), and non-responders (n=18). There were no significant differences among these groups at baseline day 1 (P>0.05). cEPC levels decreased slightly at day 21 (8.2±3.3 cEPCs/μL) vs day 1 (8.4±2.9 cEPCs/μL) in good responders (P>0.05). In contrast, cEPC levels increased significantly in the other two groups (P<0.05). SDF-1α changes were closely related to changes in cEPCs. These findings indicate that change in cEPCs at day 21 in the first cycle might be considered a noninvasive biomarker for predicting a later response, and extent of change could help decide whether to continue this costly chemotherapy. cEPCs and the SDF-1α/CXCR4 axis are potential therapeutic targets for improved response and outcomes in MM patients.

Etude des inhibiteurs d'entrée de CXCR4 : corécepteur d'entrée du virus de l'immunodéficience humaine.

L’entrée virale du VIH-1 dans ses cellules cibles constitue une cible thérapeutique de choix. À l’heure actuelle, un inhibiteur de fusion et un inhibiteur ciblant le corécepteur CCR5 sont utilisés en thérapie. Dans notre étude, notre objectif était d’évaluer le profil antiviral et fonctionnel de plusieurs types moléculaires envisagés comme inhibiteurs d’entrée du corécepteur CXCR4, soient : 1) de dérivés peptidiques mimant des portions du récepteur 2) de dérivés peptidiques issus du ligand naturel de CXCR4, le SDF-1 et 3) de dérivés du puissant inhibiteur de faible poids moléculaire, le T140. Notre recherche se concentrait sur la mise au point de molécules capables d’inhiber l’entrée du VIH en ciblant sélectivement le corécepteur CXCR4 tout en conservant les fonctions naturelles de ce dernier. Parmi les molécules testées, certaines possèdent un grand potentiel dans le développement de nouveaux médicaments antirétroviraux.

Structure quaternaire des récepteurs de chimiokines CXCR4 et CCR2 et interaction avec leurs effecteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'université Montpellier2 dans le laboratoire de pharmacologie moléculaire de Jean-Philippe Pin à l'institut de génomique fonctionnelle (IGF), Montpellier, France.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

Impact de la maladie du greffon contre l’hôte sur la reconstitution immunitaire suite à une transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (ASCT) est couramment utilisée pour traiter différents cancers hématologiques. Malheureusement, l’effet bénéfique de cette technique est limité par la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) qui demeure la cause principale de mortalité post-greffe. La GVHD endommage différents organes et retarde la reconstitution immunitaire des lymphocytes T (LT) ce qui augmente les risques d’infection et de rechute. Le développement de nouveaux traitements permettant d’accélérer la reconstitution immunitaire augmenterait donc les chances de survie des patients greffés. Il existe deux façons de régénérer des LT: via la thymopoïèse qui consiste à produire de nouveaux LT, ou par la prolifération homéostatique (PH) qui implique l’expansion rapide des LT matures retrouvés dans le greffon. La PH requiert deux signaux essentiels: l’interleukine-7 (IL-7) et la présentation d’antigènes du soi par les cellules dendritiques (DC) via le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) I pour les LT CD8+ et le CMH II pour les LT CD4+. Dans un contexte d’ASCT, la chimiothérapie et la GVHD endommagent le thymus rendant la thymopoïèse inefficace. Par conséquent, la reconstitution immunitaire repose presque entièrement sur la PH des LT. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment la GVHD affecte la reconstitution des LT. Grâce à un modèle murin, nous avons démontré que la PH des LT CD4+ est absente durant la GVHD et ce, dû à de faibles niveaux d’IL-7 et une diminution du nombre de DC. La perte des DC est en grande partie causée par des niveaux réduits de stromal derived factor-1α (SDF-1α) et par l’absence de progéniteurs de DC dans la moelle osseuse des souris en GVHD. Le traitement des souris en GVHD avec du SDF-1α permet d’augmenter le nombre de DC, et lorsqu’administré avec l’IL-7, améliore significativement la PH des LT CD4+. Contrairement aux LT CD4+, l’administration d’IL-7 seule est suffisante pour restaurer la PH des LT CD8+ durant la GVHD et ce, même en absence des DC. Ces différences s’expliquent pour deux raisons : 1) l’expression du CMH I, contrairement au CMH II, n’est pas limitée aux DC mais est également exprimée par les cellules stromales du receveur ce qui est suffisant pour induire la PH des LT CD8+ et 2) les LT CD8+ répondent à des concentrations plus faibles d’IL-7 systémique comparativement aux LT CD4+. En conclusion, l’ensemble de ces résultats permettra de mettre en place des études translationnelles sur le potentiel thérapeutique du SDF-1α et de l’IL-7 dans la reconstitution immunitaire des patients greffés.

iNOS-derived Nitric Oxide Modulates Infection-stimulated Bone Loss

Nitric oxide (NO) derived from inducible nitric oxide synthase (iNOS) plays an important role in host defense, as well as in inflammation-induced tissue lesions. Here we evaluated the role of NO in bone loss in bacterial infection-induced apical periodontitis by using iNOS-deficient mice (iNOS(-/-)). The iNOS(-/-) mice developed greater inflammatory cell recruitment and osteolytic lesions than WT mice. Moreover, tartrate-resistant acid-phosphatase-positive (TRAP(+)) osteoclasts were significantly more numerous in iNOS-/- mice. Furthermore, the increased bone resorption in iNOS(-/-) mice also correlated with the increased expression of receptor activator NF-kappaB (RANK), stromal-cell-derived factor-1 alpha (SDF-1 alpha/CXCL12), and reduced expression of osteoprotegerin (OPG). These results show that NO deficiency was associated with an imbalance of bone-resorption-modulating factors, leading to severe infection-stimulated bone loss.

Alterations in the profile of blood neutrophil membrane receptors caused by in vivo adrenocorticotrophic hormone actions

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Comparação de métodos para extração de dna na reação em cadeia da polimerase para detecção de Salmonella enterica sorovar enteritidis em produtos avícolas

The identification of Salmonella spp. in food samples by microbiological diagnosis is time consuming, with approximately five different stages, requiring about 120 hours until the final result. The utilization of the polymerase chain reaction technique (PCR) can reduce this time, but substances present in samples may affect the reaction. The present work aimed to compare DNA extraction by thermic treatment and by the use of cetyltrimethil ammonium bromide (CTAB), in products originated from poultry houses corresponding to raw material (meat meal) and experimentally contaminated drag swabs. Materials obtained from the extractions were submitted to PCR, utilizing a pair of initiator oligonucleotides for amplification of Sdf 1 gene fragments. Comparing the methods of extraction, it was observed that when CTAB was employed, SE was detected in 70% of meat meal and in 80% of drag swabs, while the thermic treatment method yielded positive results in 20% of meat meal and in 40% of drag swabs. SE was detected under both methods utilized for DNA extraction, but the use of CTAB detected a greater number of positive samples, compared with thermal treatment.