The role of interferon-gamma on immune and allergic responses

Allergic diseases have been closely related to Th2 immune responses, which are characterized by high levels of interleukin (IL) IL-4, IL-5, IL-9 and IL-13. These cytokines orchestrate the recruitment and activation of different effector cells, such as eosinophils and mast cells. These cells along with Th2 cytokines are key players on the development of chronic allergic inflammatory disorders, usually characterized by airway hyperresponsiveness, reversible airway obstruction, and airway inflammation. Accumulating evidences have shown that altering cytokine-producing profile of Th2 cells by inducing Th1 responses may be protective against Th2-related diseases such as asthma and allergy. Interferon-gamma (IFN-gamma), the principal Th1 effector cytokine, has shown to be crucial for the resolution of allergic-related immunopathologies. In fact, reduced production of this cytokine has been correlated with severe asthma. In this review, we will discuss the role of IFN-gamma during the generation of immune responses and its influence on allergic inflammation models, emphasizing its biologic properties during the different aspects of allergic responses.

Macrophage elastase (MMP-12): a pro-inflammatory mediator?

As many metalloproteinases (MMPs), macrophage elastase (MMP-12) is able to degrade extracellular matrix components such as elastin and is involved in tissue remodeling processes. Studies using animal models of acute and chronic pulmonary inflammatory diseases, such as pulmonary fibrosis and chronic obstrutive pulmonary disease (COPD), have given evidences that MMP-12 is an important mediator of the pathogenesis of these diseases. However, as very few data regarding the direct involvement of MMP-12 in inflammatory process in the airways were available, we have instilled a recombinant form of human MMP-12 (rhMMP-12) in mouse airways. Hence, we have demonstrated that this instillation induced a severe inflammatory cell recruitment characterized by an early accumulation of neutrophils correlated with an increase in proinflammatory cytokines and in gelatinases and then by a relatively stable recruitment of macrophages in the lungs over a period of ten days. Another recent study suggests that resident alveolar macrophages and recruited neutrophils are not involved in the delayed macrophage recruitment. However, epithelial cells could be one of the main targets of rhMMP-12 in our model. We have also reported that a corticoid, dexamethasone, phosphodiesterase 4 inhibitor, rolipram and a non-selective MMP inhibitor, marimastat could reverse some of these inflammatory events. These data indicate that our rhMMP-12 model could mimic some of the inflammatory features observed in COPD patients and could be used for the pharmacological evaluation of new anti-inflammatory treatment. In this review, data demonstrating the involvement of MMP-12 in the pathogenesis of pulmonary fibrosis and COPD as well as our data showing a pro-inflammatory role for MMP-12 in mouse airways will be summarized.

Respiratory effects of an exposure to grain dust among grain workers in the Vaud region (Switzerland)

Introduction: Bioaerosols such as grain dust (GD) elicit direct immunological reactions within the human respiratory system. Workplace-dependent exposure to GD may induce asthma, chronic bronchitis, and hypersensitivity pneumonitis. Aims: To assess the clinical impact of occupational exposure to GD and to determine quantitative biological markers of bioaerosol exposure in grain workers. Methods: This longitudinal study has been conducted from summer 2012 to summer 2013, comprising 6 groups of 30 active workers with different GD exposure patterns (4 groups of grain workers, 2 control groups). Two evaluations at high- and low-exposing seasons take place, during which an occupational and a medical history are questionnaire-assessed, lung function is evaluated by spirometry, airway inflammation is measured by exhaled nitric oxide (eNO) and specific blood IgG and IgE are titrated. Results: The preliminary results are those of 2 of the 4 exposed groups, (harvesters and mill workers), compared to the control groups, at first assessment (n=100). Mean age is 38.4 [years]; 98% are male. Exposed groups differ from controls (p<0.05) in daily contact with animals (57% vs. 40%) and active smoking (39% vs. 11%). Grain workers have more respiratory (50%), nasal (57%), ocular (45%) and dermatologic (36%) occupational symptoms than controls (6.4%, 19%, 16%, 6.4% respectively, p<0.05). Lower mean peak-expiratory-flow (PEF) values (96.1 ± 18.9 vs. 108.2 ± 17.4 [% of predicted], p<0.05) and eNO values (13.9 ± 9.6 vs. 20.5 ± 14.7 [ppm], p<0.05) are observed in the exposed groups. Conclusion: Preliminary results show a higher prevalence of clinical symptoms and a lower mean PEF value in the groups exposed to GD.

Lung microbiota promotes tolerance to allergens in neonates via PD-L1.

Epidemiological data point toward a critical period in early life during which environmental cues can set an individual on a trajectory toward respiratory health or disease. The neonatal immune system matures during this period, although little is known about the signals that lead to its maturation. Here we report that the formation of the lung microbiota is a key parameter in this process. Immediately following birth, neonatal mice were prone to develop exaggerated airway eosinophilia, release type 2 helper T cell cytokines and exhibit airway hyper-responsiveness following exposure to house dust mite allergens, even though their lungs harbored high numbers of natural CD4(+)Foxp3(+)CD25(+)Helios(+) regulatory T (Treg) cells. During the first 2 weeks after birth, the bacterial load in the lungs increased, and representation of the bacterial phyla shifts from a predominance of Gammaproteobacteria and Firmicutes towards Bacteroidetes. The changes in the microbiota were associated with decreased aeroallergen responsiveness and the emergence of a Helios(-) Treg cell subset that required interaction with programmed death ligand 1 (PD-L1) for development. Absence of microbial colonization(10) or blockade of PD-L1 during the first 2 weeks postpartum maintained exaggerated responsiveness to allergens through to adulthood. Adoptive transfer of Treg cells from adult mice to neonates before aeroallergen exposure ameliorated disease. Thus, formation of the airway microbiota induces regulatory cells early in life, which, when dysregulated, can lead to sustained susceptibility to allergic airway inflammation in adulthood.

Respiratory effects of an exposure to grain dust among grain workers in the Vaud region (Switzerland)

Introduction: Bioaerosols such as grain dust, via biologically active agents, elicit local inflammation and direct immunological reactions within the human respiratory system. Workplace-dependent exposure to grain dust (GD) may thus induce asthma, chronic bronchitis, and hypersensitivity pneumonitis. The aim of this study is to assess the clinical impact of occupational exposure to GD and to determine quantitative biological markers of bioaerosol exposure in grain workers. Methods: This longitudinal study has been conducted from summer 2012, to summer 2013, comprising 6 groups of 30 active workers with different GD exposure patterns (4 groups of grain workers, 2 control groups). After obtaining informed consent, two evaluations at high- and low-exposing seasons take place, during which an occupational history and a detailed medical history are questionnaire-assessed, lung function is evaluated by spirometry, airway inflammation is measured by exhaled nitric oxide (eNO), and specific blood IgG and IgE are titrated. The preliminary results presented hereafter are those of two of the four exposed groups, namely harvesters and mill workers, compared to the control groups, at first assessment (n=100). Results: Mean age is 38.4 [years]; 98% are male. Exposed groups differ from controls (p<0.05) in daily contact with animals (57% vs. 40%) and active smoking (39% vs. 11%). Grain workers have more respiratory (50%), nasal (57%), ocular (45%), dermatologic (36%) and systemic (20%) occupational symptoms than controls (6.4%, 19%, 16%, 6.4%, 1.6% respectively, p<0.05). Lower mean peak-expiratory-flow (PEF) values (96.1 ± 18.9 vs. 108.2 ± 17.4 [% of predicted], p<0.05) and eNO values (13.9 ± 9.6 vs. 20.5 ± 14.7 [ppm], p<0.05) are observed in the exposed groups. Conclusion: Preliminary results show a higher prevalence of clinical symptoms and a lower mean PEF value in the exposed groups. Detailed supplementary analyses are pending.

Regulation of inflammatory responses by the commensal microbiota.

It is well established that dysregulation of the interactions between the immune system and commensal bacteria is one factor that underpins the development and chronicity of a number of inflammatory diseases. Certain phyla of bacteria within the microbiota have been associated with 'health', but the mechanisms by which the presence of these bacteria supports a healthy environment are still being unravelled. Recent evidence indicates that one such mechanism involves the anti-inflammatory properties of fermentation products of fibre, short-chain fatty acids and their signalling through the G-protein coupled receptor GPR43. Recent findings also indicate that, even in health, bacterial communities harbour in the airways, indicating that direct exposure to bacterial products at this site may provide a further explanation for how commensal bacteria can regulate chronic airway inflammation.

Bacterial-induced protection against allergy through a novel multi-component immunoregulatory mechanism

Airborne microbial products have been reported to promote immune responses that suppress asthma, yet how these beneficial effects take place remains controversial and poorly understood. We have found that pulmonary exposure with the bacterium Escherichia coli leads to a suppression of allergic airway inflammation, characterized by reduced airway-hyperresponsiveness, eosinophilia and cytokine production by T cells in the lung. This immune modulation was neither mediated by the induction of a Th1 response nor regulatory T cells; was dependent on TLR-4 but did not involve TLR-desensitization. Dendritic cell migration to the draining lymph nodes and subsequent activation of T cells was unaffected by prior exposure to E.coli indicating that the immunomodulation was limited to the lung environment. In non-treated control mice ovalbumin was primarily presented by airway CD11b+ CD11c+ DCs expressing high levels of MHC class II molecules whilst the DCs in E.coli-treated mice displayed a less activated phenotype and had impaired antigen presentation capacity. Consequently, in situ Th2 cytokine production by ovalbuminspecific effector T cells recruited to the airways was significantly reduced. The suppression of airways hyper responsiveness was mediated through the recruitment of IL-17-producing gd-T cells; however, the suppression of dendritic cells and T cells was mediated through a distinct mechanism that could not be overcome by the local administration of activated dendritic cells, or by the in vivo administration of TNF-alpha. Taken together, these data reveal a novel multi-component immunoregulatory pathway that acts to protect the airways from allergic inflammation.

NLRP3 inflammasome is required in murine asthma in the absence of aluminum adjuvant.

Background: Inflammasome activation with the production of IL-1 beta received substantial attention recently in inflammatory diseases. However, the role of inflammasome in the pathogenesis of asthma is not clear. Using an adjuvant-free model of allergic lung inflammation induced by ovalbumin (OVA), we investigated the role of NLRP3 inflammasome and related it to IL-1R1 signaling pathway.Methods: Allergic lung inflammation induced by OVA was evaluated in vivo in mice deficient in NLRP3 inflammasome, IL-1R1, IL-1 beta or IL-1 alpha. Eosinophil recruitment, Th2 cytokine, and chemokine levels were determined in bronchoalveolar lavage fluid, lung homogenates, and mediastinal lymph node cells ex vivo.Results: Allergic airway inflammation depends on NLRP3 inflammasome activation. Dendritic cell recruitment into lymph nodes, Th2 lymphocyte activation in the lung and secretion of Th2 cytokines and chemokines are reduced in the absence of NLRP3. Absence of NLRP3 and IL-1 beta is associated with reduced expression of other proinflammatory cytokines such as IL-5, IL-13, IL-33, and thymic stromal lymphopoietin. Furthermore, the critical role of IL-1R1 signaling in allergic inflammation is confirmed in IL-1R1-, IL-1 beta-, and IL-1 alpha-deficient mice.Conclusion: NLRP3 inflammasome activation leading to IL-1 production is critical for the induction of a Th2 inflammatory allergic response.

CD4+CD25+ T cell depletion impairs tolerance induction in a murine model of asthma.

BACKGROUND: Regulatory T cells (Tregs) are key players in controlling the development of airway inflammation. However, their role in the mechanisms leading to tolerance in established allergic asthma is unclear. OBJECTIVE: To examine the role of Tregs in tolerance induction in a murine model of asthma. METHODS: Ovalbumin (OVA) sensitized asthmatic mice were depleted or not of CD25(+) T cells by anti-CD25 PC61 monoclonal antibody (mAb) before intranasal treatment (INT) with OVA, then challenged with OVA aerosol. To further evaluate the respective regulatory activity of CD4(+)CD25(+) and CD4(+)CD25(-) T cells, both T cell subsets were transferred from tolerized or non-tolerized animals to asthmatic recipients. Bronchoalveolar lavage fluid (BALF), T cell proliferation and cytokine secretion were examined. RESULTS: Intranasal treatment with OVA led to increased levels of IL-10, TGF-beta and IL-17 in lung homogenates, inhibition of eosinophil recruitment into the BALF and antigen specific T cell hyporesponsiveness. CD4(+)CD25(+)Foxp3(+) T cells were markedly upregulated in lungs and suppressed in vitro and in vivo OVA-specific T cell responses. Depletion of CD25(+) cells before OVA INT severely hampered tolerance induction as indicated by a strong recruitment of eosinophils into BALF and a vigorous T cell response to OVA upon challenge. However, the transfer of CD4(+)CD25(-) T cells not only suppressed antigen specific T cell responsiveness but also significantly reduced eosinophil recruitment as opposed to CD4(+)CD25(+) T cells. As compared with control mice, a significantly higher proportion of CD4(+)CD25(-) T cells from OVA treated mice expressed mTGF-beta. CONCLUSION: Both CD4(+)CD25(+) and CD4(+)CD25(-) T cells appear to be essential to tolerance induction. The relationship between both subsets and the mechanisms of their regulatory activity will have to be further analyzed.

Major mite allergen Der f 1 concentration is reduced in buildings with improved energy performance.

BACKGROUND: Environmental conditions play a crucial role in mite growth, and optimal environmental control is key in the prevention of airway inflammation in chronic allergic rhinoconjunctivitis or asthma. OBJECTIVE: To evaluate the relationship between building energy performance and indoor mite allergen concentration in a cross-sectional study. METHODS: Major allergen concentration (Der f 1, Der p 1, mite group 2, Fel d 1 and Bla g 2) was determined by quantitative dot blot analysis from mattress and carpet dust samples in five buildings designed for low energy use (LEB) and in six control buildings (CB). Inhabitants had received 4 weeks prior to mite measurement a personal validated questionnaire related to the perceived state of health and comfort of living. RESULTS: Cumulative mite allergen concentration (with Der f 1 as the major contributor) was significantly lower in LEB as compared with CB both in mattresses and in carpets. In contrast, the two categories of buildings did not differ in Bla g 2 and Fel d 1 concentration, in the amount of dust and airborne mould collected. Whereas temperature was higher in LEB, relative humidity was significantly lower than in CB. Perceived overall comfort was better in LEB. CONCLUSIONS: Major mite allergen Der f 1 preferentially accumulates in buildings not specifically designed for low energy use, reaching levels at risk for sensitization. We hypothesize that controlled mechanical ventilation present in all audited LEB may favour lower air humidity and hence lower mite growth and allergen concentration, while preserving optimal perceived comfort.

Regulatory Mechanisms involved in Th2 Cell Differentiation. A Proteomics Approach.

Th2-solujen erilaistumista ohjaavat säätelyverkostot ja niiden tutkiminen proteomiikan avulla Astma ja allergiat ovat laajalle levinneitä ja vakavia sairauksia, joista kärsivät miljoonat ihmiset ympäri maailmaa. Koe-eläimillä tehdyt tutkimukset osoittavat, että interleukiini-4 (IL-4) on tärkeä allergisen astman ja allergioiden kehittymiselle ja kroonistumiselle. Se ohjaa T-auttajasolujen (Th-solujen) kehittymistä Th2-tyypin soluiksi, joilla on merkittävä rooli näiden tautien puhkeamisessa. Th2-solut tuottavat myös itse IL-4:ä, joka edesauttaa taudin seuraavien vaiheiden kehittymistä. Erityisesti STAT6-proteiini, joka aktivoituu IL-4-stimulaation seurauksena, on tarpeen Th2- vasteen syntymiselle ja kroonistumiselle antigeenin aiheuttamassa keuhkoputkien astmaattisessa tulehduksessa. Väitöskirjatyöni tarkoituksena oli käyttää kaksidimensionaaliseen elektroforeesiin (2- DE) perustuvaa proteomiikkaa ja massaspektrometriaa uusien Th2-solujen erilaistumista säätelevien proteiinien tunnistamiseksi. Erilaistumattomat Th-solut eristettiin vastasyntyneen napaverestä tai hiiren pernasta. Solut aktivoitiin Tsolureseptorin ja ns. ko-stimulatoristen reseptorien kautta ja erilaistettiin joko Th1- tai Th2-suuntaan vastaavasti erilaistavien IL-12- ja IL-4-sytokiinien avulla. Ensimmäisessä tutkimuksessa in vitro -erilaistettujen Th1- ja Th2-solujen proteomeja verrattiin keskenään proteiinien ilmenemisessä tai proteiinimodifikaatioissa olevien erojen tunnistamiseksi. Kaksi muuta päätutkimusta keskittyivät IL-4:n aiheuttamaan proteiinitason säätelyyn ensimmäisen vuorokauden aikana T-soluaktivaation jälkeen. Näistä ensimmäisessä IL-4:n aiheuttamia eroja tunnistettiin aktivoiduista ihmisen Thsoluista. IL-4:n todettiin säätelevän useita proteiineja kaspaasien välittämissä signalointiteissä sekä lisäävän T-solujen elävyyttä ja aktivoitumista. Toisessa tutkimuksessa STAT6-poistogeenisten hiirien lymfosyyttien proteomia verrattiin villityypin kontrollisoluihin T-soluaktivaation ja IL-4-stimulaation jälkeen. Näissä tutkimuksissa karakterisoitiin useita uusia IL-4:n ja STAT6:n kohdeproteiineja ja löydettiin uusia säätelyverkostoja. Tutkimustulokset ovat johtaneet uusiin Th2-erilaistumismekanismeja koskeviin hypoteeseihin.

Immunological mechanisms underlying infectious and chronic lung diseases

Le système respiratoire permet l'échange de gaz entre un organisme et son environnement. Pour fonctionner efficacement, il doit lutter contre les infections tout en maintenant une tolérance aux particules inoffensives. Les cytokines sont des petites protéines qui permettent la communication entre les différentes cellules et jouent un rôle important dans la régulation de l'homéostasie et de l'immunité des surfaces pulmonaires. Une production altérée des cytokines sous-tend beaucoup de maladies du système pulmonaire. Ainsi, la compréhension de la biologie fondamentale des cytokines pourrait contribuer à la mise au point de nouveaux traitements. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le rôle de deux cytokines, le TSLP (Thymic stromal lymphopoietin) et l'IL-17 (Interleukin 17) dans les réponses immunitaires bénéfiques et nuisibles en utilisant des modèles précliniques de souris des maladies pulmonaires. L'asthme est une maladie qui est caractérisée par la bronchoconstriction réversible, l'inflammation des voies respiratoires inférieures, l'hyperréactivité bronchique et le remodelage tissulaire. Le type d'inflammation affectant les voies respiratoires et la présence ou non d'allergie permettent d'établir les différents types d'asthme. La TSLP est une cytokine qui est principalement exprimée à des niveaux élevés dans les poumons de patients souffrant d'asthme allergique. En conséquence, la majeure partie de la recherche sur la TSLP a mis l'accent sur le rôle joué par celle- ci dans les réponses négatives conduisant au développement de l'asthme allergique. Dans cette thèse, nous montrons que la TSLP joue aussi un rôle bénéfique dans les réponses immunitaires pulmonaires. Nous avons découvert que la TSLP atténue la grippe en augmentant les réponses des lymphocytes T cytotoxiques contre le virus. Nous avons également étudié la fonction de la TSLP dans l'asthme non allergique. Contrairement à l'asthme allergique, nous avons constaté que la TSLP diminue les réponses inflammatoires dans l'asthme non allergique en réglant la production de l'IL-17, une cytokine qui favorise la maladie. Ainsi, nous démontrons les fonctions pleiotropes de la TSLP dans des contextes spécifiques de la maladie. Nos résultats ont des implications importantes pour le développement de thérapies ciblant la TSLP dans l'asthme. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes pathogéniques qui sous-tendent le développement de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie chronique le plus largement associée aux fumeurs. Elle est caractérisée par une limitation progressive et irréversible du débit d'air et la destruction de la structure des poumons. L'augmentation globale de l'incidence de la maladie encourage grandement la compréhension des mécanismes pathogéniques et l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous avons découvert que les micro-organismes trouvés dans les voies respiratoires aggravent la maladie en augmentant la production de l'IL-17. L'IL-17 est une cytokine inflammatoire qui est impliquée dans plusieurs maladies pulmonaires chroniques, dont la BPCO. Dans notre modèle animal de la maladie, nous avons neutralisé 1ÌL-17A en utilisant un anticorps spécifique et observé une reprise de la fonction pulmonaire. Dans cette étude, nous avons identifié 2 axes potentiels pour l'intervention thérapeutique contre la BPCO. Cibler les bactéries dans les voies respiratoires soit par l'utilisation d'antibiotiques ou l'utilisation de thérapies à base immunitaire qui antagonisent l'activité spécifiques de l'IL-17. Dans l'avenir, notre laboratoire va collaborer avec des cliniciens pour acquérir des échantillons humains et tester la pertinence de nos résultats dans la maladie humaine. -- L'interaction avec l'environnement extérieur est vitale pour le fonctionnement du système respiratoire. Par conséquent, ce dernier a adopté une multitude de réseaux effecteurs et régulateurs qui permettent de distinguer les particules inhalées comme «dangereuses» ou «inoffensives» et de réagir en conséquence. L'équilibre entre ces réseaux est essentielle pour lutter contre le «danger» déclenché par une infection ou des dommages, et finalement pour le retour à l'homéostasie. Le milieu de cytokine local contribue de manière significative à la mise au point de ces réponses. Ainsi, la caractérisation du rôle des cytokines dans l'état d'équilibre et la maladie a des implications claires pour les interventions thérapeutiques dans les maladies respiratoires aiguës et chroniques. Cette thèse a porté sur le rôle des cytokines, la lymphopoïétine stromale thymique (TSLP) et TIL-17A dans l'élaboration de réponses immunitaires pulmonaires. La TSLP est principalement produite par les cellules épithéliales et peut cibler une myriade de cellules immunitaires. Bien qu'elle ait été montrée être un puissant inducteur des réponses de type Th2, son rôle dans d'autres contextes inflammatoires est relativement inexploré. Dans le premier projet de cette thèse, nous avons découvert une nouvelle fonction de la TSLP dans l'immunité antivirale contre la grippe, une infection virale. Nous avons constaté que la TSLP a réglementé la réponse neutrophile au début de l'infection, en amplifiant l'immunité adaptative spécifique du virus. Mécaniquement, la TSLP a augmenté l'expression de l'IL-15 et du CD70 sur les cellules dendritiques recrutées dans les poumons suite à l'infection et a renforcé leur capacité de stimuler localement les lymphocytes T CD8+ spécifiques du virus. En outre, nous avons étudié la TSLP dans le cadre de divers phénotypes de l'asthme et également démontré l'impact pléiotropique qu'elle a sur les réponses immunitaires pulmonaires. En accord avec les rapports précédents, nous avons constaté que la TSLP a exacerbé l'inflammation atopique médiée par le Th2. En revanche la TSLP a réduit les réponses de l'IL-17A et l'inflammation neutrophile subséquente dans le modèle non atopique, ainsi que l'exacerbation du modèle atopique provoqué par une infection virale. Nos résultats démontrent une dichotomie dans le rôle de la TSLP dans la pathogenèse de l'asthme et soulignent la nécessité d'envisager plusieurs phénotypes d'asthme pour une évaluation approfondie de son potentiel thérapeutique dans cette maladie. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons caractérisé les mécanismes pathogènes qui sous-tendent la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie hétérogène définie par une diminution progressive de la fonction pulmonaire. Bien que des déclencheurs environnementaux puissent aggraver la maladie, chez les personnes sensibles une maladie établie peut progresser à travers un cercle inflammatoire auto-entretenu. Nous avons cherché à définir les mécanismes sous-jacents à l'aide d'un modèle murin d'inflammation chronique, qui reproduit les caractéristiques pathologiques de la maladie humaine. Puisqu'ont été associés à la BPCO sévère des changements dans le microbiome des voies respiratoires, nous avons supposé que les signaux dérivés de certains microbes pourraient favoriser des voies inflammatoires chroniques de progression de la maladie. Nous avons observé que, en l'absence d un microbiome, la maladie s'est améliorée tel que démontré par une réduction de l'inflammation des voies respiratoires et une amélioration de la fonction pulmonaire. Cela a été lié spécifiquement à une production réduite d'IL-17A, une cytokine qui a été impliquée dans la maladie humaine. De plus la cinétique de production de 1IL- 17A dépendant du microbiote est corrélé à la sévérité de la maladie. Sur la base de ces données, la neutralisation de l'IL-17A a également eu un effet bénéfique sur l'évolution de la maladie. Le rôle significatif de 1TL-17A dans l'aggravation de la maladie a été couplé à sa capacité à engager un dialogue entre les voies inflammatoires innées et adaptatives. Il a influencé le recrutement et le phénotype des neutrophiles et des macrophages, ce qui a eu un impact direct et indirect sur la formation et la fonction des tissus lymphoïdes tertiaires associée à des stades sévères de la maladie. -- The interaction with the external environment is vital for the functioning of the respiratory system. Consequently, it has adopted a multitude of effector and regulatory networks that enable it to distinguish inhaled particles as 'dangerous' or 'innocuous' and respond accordingly. The balance between these networks is crucial to counteract the 'danger' triggered by infection or damage, and ultimately return to homeostasis. The local cytokine milieu contributes significantly to the fine- tuning of these responses. Thus, characterizing the role of cytokines in steady state and disease has clear implications for therapeutic interventions in acute and chronic respiratory disorders. This thesis focused on the role of the cytokines, thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and IL-17A in shaping pulmonary immune responses. TSLP is primarily produced by barrier epithelial cells and can target a myriad of immune cells. Although it has been shown to be potent inducer of Th2 type responses, its role in other inflammatory settings is relatively unexplored. In the first project of this thesis, we discovered a novel function of TSLP in antiviral immunity to Influenza A infection. We found that while TSLP regulated the early neutrophilic response to infection, it amplified virus specific adaptive immunity. Mechanistically, TSLP enhanced the expression of IL-15 and CD70 on the lung recruited inflammatory dendritic cells and strengthened their ability to stimulate virus specific CD8+ T cell responses locally. In addition we investigated TSLP in the context of diverse asthma phenotypes and further demonstrated the pleiotropic impact it has on pulmonary immune responses. In concurrence with previous reports we found that TSLP exacerbated Th2 mediated atopic inflammation. In contrast TSLP curtailed IL-17A responses and subsequent neutrophilic inflammation in the non-atopic model as well as virus induced exacerbation of the atopic model. Our findings demonstrate a dichotomy in the role of TSLP in asthma pathogenesis and emphasize the need to consider multiple asthma phenotypes for a thorough evaluation of its therapeutic potential in this disease. In the next part of this thesis we characterized the pathogenic mechanisms underlying chronic obstructive pulmonary disease. COPD is a heterogeneous disease defined by a progressive decline in lung function. Although environmental triggers exacerbate the disease, in susceptible individuals the established disease can progress through a self-sustained inflammatory circle. We sought to delineate the underlying mechanisms by using a murine model of chronic inflammation, which reproduced key pathological features of the human disease. As changes in the airway microbiome have been linked to severe COPD, we speculated that microbial derived signals could facilitate the establishment of chronic inflammatory pathways that favour disease progression. We found that the absence of a microbiota ameliorated disease, exhibited by a reduction in airway inflammation and an improvement in lung function. This was linked specifically to an impaired production of IL-17A, a cytokine that has been implicated in human disease. Moreover the kinetics of microbiota-dependent IL-17A production correlated with the disease severity. Based on these data targeted neutralization of IL-17A also had a beneficiai effect on the disease outcome. The prominent role played by IL-I7A in driving the disease was coupled to its ability in engaging and mediating cross talk between pathogenic innate and adaptive immune pathways. It influenced the recruitment and phenotype of neutrophils and macrophages, as well as impacted upon the formation and function of tertiary lymphoid tissue associated with severe disease. Thus, temporal and spatial changes in cytokine production, their cellular targets and interaction with the local milieu determine the balance between immunity and pathology in the lung. Collectively our findings provide novel mechanistic insights in the complex role played by cytokines in orchestrating pulmonary immune responses and have clear implications for human disease.

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

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

Exhaled nitric oxide collected with two different mouthpieces: a study in asthmatic patients

Techniques for collecting exhaled nitric oxide (ENO) recommend the use of antibacterial filters of 0.3 µm. The aim of the present study was to compare the measurements of ENO obtained with two different filtering devices. Air samples from 17 asthmatic and 17 non-asthmatic subjects were collected by a recommended off-line technique using two different mouthpieces: 1) the Sievers disposable tool (A) under a breathing pressure of 18 cmH2O, and 2) a mouthpiece containing a HEPA filter (B) under a breathing pressure of 12 cmH2O. The nitric oxide samples were collected into an impermeable reservoir bag. Values for ENO were compared using two-way repeated measures ANOVA followed by the Tukey test. Agreement was assessed by Bland-Altman analysis. ENO values obtained with mouthpieces A and B were comparable for asthmatic (mean ± SEM, 42.9 ± 6.9 vs 43.3 ± 6.6 ppb) and non-asthmatic (13.3 ± 1.3 vs 13.7 ± 1.1 ppb) subjects. There was a significant difference in ENO between asthmatics and non-asthmatics using either mouthpiece A (P<0.001) or B (P<0.001). There was a positive correlation between mouthpiece A and mouthpiece B for both groups. The Bland-Altman limits of agreement were considered to be acceptable. Mouthpiece B was less expensive than A, and these data show that it can be used without compromising the result. Our data confirm reports of higher ENO values in the presence of airway inflammation.

Role of immunoglobulin E and mast cells in murine models of asthma

Immunoglobulin E (IgE) and mast cells are believed to play important roles in allergic inflammation. However, their contributions to the pathogenesis of human asthma have not been clearly established. Significant progress has been made recently in our understanding of airway inflammation and airway hyperresponsiveness through studies of murine models of asthma and genetically engineered mice. Some of the studies have provided significant insights into the role of IgE and mast cells in the allergic airway response. In these models mice are immunized systemically with soluble protein antigens and then receive an antigen challenge through the airways. Bronchoalveolar lavage fluid from mice with allergic airway inflammation contains significant amounts of IgE. The IgE can capture the antigen presented to the airways and the immune complexes so formed can augment allergic airway response in a high-affinity IgE receptor (FcepsilonRI)-dependent manner. Previously, there were conflicting reports regarding the role of mast cells in murine models of asthma, based on studies of mast cell-deficient mice. More recent studies have suggested that the extent to which mast cells contribute to murine models of asthma depends on the experimental conditions employed to generate the airway response. This conclusion was further supported by studies using FcepsilonRI-deficient mice. Therefore, IgE-dependent activation of mast cells plays an important role in the development of allergic airway inflammation and airway hyperresponsiveness in mice under specific conditions. The murine models used should be of value for testing inhibitors of IgE or mast cells for the development of therapeutic agents for human asthma.