A Th17- and Th2-skewed Cytokine Profile in Cystic Fibrosis Lungs Represents a Potential Risk Factor for Pseudomonas aeruginosa Infection.

Rationale: Cystic fibrosis (CF) is characterized by progressive pulmonary inflammation that is infection-triggered. Pseudomonas aeruginosa represents a risk factor for deterioration of lung function and reduced life expectancy. Objectives: To assess T-cell cytokine/chemokine production in clinically stable children with CF and evaluate the association between T-cell subtypes and susceptibility for infection with P. aeruginosa. Methods: T-cell cytokine/chemokine profiles were measured in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) from children with CF (n = 57; 6.1 ± 5.9 yr) and non-CF control subjects (n = 18; 5.9 ± 4.3 yr). Memory responses to Aspergillus fumigatus and P. aeruginosa were monitored. High-resolution computed tomography-based Helbich score was assessed. In a prospective observational trial the association between BALF cytokine/chemokine profiles and subsequent infection with P. aeruginosa was studied. Measurements and Main Results: Th1- (INF-γ), Th2- (IL-5, IL-13), Th17- (IL-17A), and Th17-related cytokines (IL-1β, IL-6) were significantly up-regulated in airways of patients with CF. IL-17A, IL-13, and IL-5 were significantly higher in BALF of symptomatic as compared with clinically asymptomatic patients with CF. IL-17A and IL-5 correlated with the percentage of neutrophils in BALF (r = 0.41, P < 0.05 and r = 0.46, P < 0.05, respectively). Th17- (IL-17A, IL-6, IL-1β, IL-8) and Th2-associated cytokines and chemokines (IL-5, IL-13, TARC/CCL17), but not IFN-γ levels, significantly correlated with high-resolution computed tomography changes (Helbich score; P < 0.05). P. aeruginosa- and A. fumigatus-specific T cells from patients with CF displayed significantly higher IL-5 and IL-17A mRNA expression. IL-17A and TARC/CCL17 were significantly augmented in patients that developed P. aeruginosa infection within 24 months. Conclusions: We propose a role for Th17 and Th2 T cells in chronic inflammation in lungs of patients with CF. High concentrations of these cytokines/chemokines in CF airways precede infection with P. aeruginosa.

Innate immune response to poxvirus vectors

Summary : A large body of evidence indicates that the innate immune system plays a key role in host response to viral infection. Recently, Toll-like receptors (TLRs), RIG-I-like receptors (RLRs), and NOD-like receptor receptors (NLRs) have emerged as key innate immune sensors of microbial products, eliciting intracellular signaling and leading to the production of chemokines, cytokines and interferons (IFNs) that shape innate immune responses and coordinate the development of adaptive immunity. Poxviruses are currently developed as vaccines vectors for infectious diseases such as HIV, tuberculosis and malaria. Modified vaccinia virus Ankara (MVA) and New York vaccinia virus (NWAC) are attenuated, replication deficient strains of poxvirus. The mechanisms underlying innate immune responses to MVA and NYVAC are poorly characterized. Thus, the objectives of the project were to determine the innate immune profile stimulated by poxviruses in innate immune cells and to evaluate the impact of modifications in the viral genome on MVA and NYVAC immunogenicity. MVA stimulated the production of abundant amounts of chemokines and IFNß but low levels of cytokines by human macrophages. In contrast, NYVAC weakly stimulated the production of all mediators. Interestingly, MVA and NYVAC strongly stimulated innate immune responses in vivo and in human whole blood, suggesting that a soluble factors}, possibly a complement component, was required for optimal activation of innate immune cells by poxviruses. Modified MVA and NYVAC produced by single or multiple deletions of viral genes targeting crucial pathways of host innate immunity, and mutant poxviruses with limited replication capacity, increased the production of pro-inflammatory molecules by human whole blood. Gene expression profiling in human macrophages confirmed the increased immunologic stimulatory capacity of modified poxviruses. The pathways activated by MVA and NYVAC in innate immune cells were described by analysing the response of knockdown or shRNA transduced macrophages with impaired expression of TLRs and their adaptors (MyD8$ and TRIF), RLRs (RIG-I, MDA-5 and the adaptor IPS-1) and the NALP3 inflammasome composed óf the NLR NALP3, caspase-1 and ASC. These experiments revealed a critical role for TLR2-TLR6-MyD88 in the production of tFNß-independent chemokines and of MDA-5-IPS-1 in the production of IFNß and IFNßdependent chemokines. The transcription of the iL1b gene encoding for the IL-1ß cytokine was initiated through TLR2-MyD88, whereas the maturation and the secretion of IL-1ß were controlled by the NALP3 inflammasome. Finally, we analyzed the role of macrophage migration inhibitory factor (MIF), a mediator of inflammation and innate immune responses, in MVA infection. We observed that MVA infection increased MIF production by innate immune cells and that MIF deficiency impaired macrophage and dendritic cell responses (ie migration, maturation, cytokine and IFN production) to MVA infection in vitro and in vivo. Moreover, MIF-deficiency resulted in delayed anti-MVA specific antibody production in mice immunized with the virus. In conclusion, we demonstrate. that poxviruses can be modified genetically to improve their immunogenicity. We also report the first comprehensive analysis of poxvirus sensing by innate immune cells, showing that the TLR, RLR and NLR pathways play specific and coordinated roles in regulating cytokine, chemokine and IFN response to poxvirus infection. Finally, we show that MIF is an integral host component involved in innate and adaptive immune responses to MVA infection. The present findings provide important information relevant to the study of the pathogenesis of poxvirus infections and allow a better understanding of the immunogenic potential of vaccine vectors, which is required for the development of optimized modìfied pox-vaccine vectors.

Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.