Projet de thèse : Rôle des polluants HAP sur production d`IL

Projet de thèse : Rôle des polluants HAP sur production d’IL-22 et
le remodelage bronchique dans l’asthme allergique sévère
Contexte scientifique :
L’asthme allergique :
Les maladies allergiques sont en constante augmentation dans les pays industrialisés.
L’asthme allergique est une pathologie inflammatoire chronique (1) conséquence d’une
réponse inappropriée de l’organisme à un élément environnemental normalement inerte,
l’allergène. Elle fait intervenir plusieurs types cellulaires et est caractérisée par un infiltrat
pulmonaire à éosinophiles et une polarisation de type Th2 avec sécrétion de cytokines telles
que l’interleukine 4 (IL-4), l’IL-5 et l’IL-13. Cette inflammation est responsable de
l’hyperréactivité bronchique vis-à-vis d’allergènes et de stimuli non spécifiques, de la
diminution de la fonction respiratoire et des symptômes de la maladie. Dans les cas les plus
sévères, on assiste à une modification de l’infiltrat pulmonaire avec remplacement des
éosinophiles par des neutrophiles, et à un remodelage bronchique qui devient résistant aux
thérapeutiques habituelles par corticoïdes inhalés (2).
Les polluants :
L’asthme est une maladie multifactorielle qui fait intervenir des prédispositions génétiques,
mais également des facteurs environnementaux et notamment l’exposition aux polluants. De
nombreuses études montrent l’effet des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sur
la réponse inflammatoire allergique. Ces molécules sont issues de la combustion incomplète
des hydrocarbures notamment le diesel, et sont émises sous forme de particules de
carbones sur lesquelles les HAP sont adsorbés. Les plus petites particules dites
nanoparticules sont capables de pénétrer très profondément dans l’arbre bronchique et sont
très difficilement évacuées du poumon. De nombreuses études in vivo et in vitro ont montré
que les HAP agissaient à différents niveaux de la réponse immune. Ainsi, les HAP peuvent
directement exacerber la réponse inflammatoire en induisant la production de médiateurs
pro-inflammatoires (3,4). Ils jouent également un rôle adjuvant essentiel dans le
développement et l’exacerbation de l’asthme allergique, en particulier en induisant des
cytokines Th2 (5–7) et de chimiokines pro-Th2 potentialisatrices de la réaction allergique (8–
10). De plus, les HAP et les particules de diesels (DEP) peuvent également favoriser le
recrutement d’éosinophiles et de neutrophiles via la production d’IL-17 et sont donc
impliqués dans la sévérité de l’asthme (11–14).
Un facteur de transcription, l’Aryl hydrocarbon Receptor (AhR), identifié comme récepteur
des HAP, a été impliqué dans le développement de nouvelles sous populations
lymphocytaires adaptatives (Th17/Th22) et de cellules lymphoïdes innées (ILC3). Ces sous
populations sont capables de produire de l’IL-22 via l’activation du AhR. L’asthme allergique
sévère se caractérise par une infiltration additionnelle de neutrophiles et une chronicité
associée à un remodelage bronchique résistant aux traitements habituels qui pourrait faire
intervenir ces nouvelles sous populations.
Projet :
Nous nous intéresseront plus particulièrement aux populations sécrétrices d’IL-22. En effet,
le récepteur à l’IL-22 a pour particularité de n’être exprimé que par les cellules de structures
en particulier par les cellules épithéliales bronchiques et les cellules musculaires lisses. L’IL22 a un rôle controversé dans les modèles d’asthme chez la souris puisqu’en fonction du
moment de l’administration, elle peut être pro- ou anti-inflammatoire (15–18). Dans ces
modèles murins, l’asthme induit est aigu sans chronicité, or chez l’homme, des taux élevés
d’IL-22 sont associés à la sévérité de l’asthme (18,19) et les asthmes les plus sévères sont
caractérisés par un remodelage bronchique important. De plus, l’IL-22 est impliquée dans la
réparation tissulaire et le remodelage cutané (20) mais également dans la transition
épithélio-mésenchymateuse pulmonaire in vitro (21) prérequis au remodelage bronchique in
vivo. Ainsi, l’’objectif de ce projet est d’identifier si l’IL-22 participe au remodelage bronchique
dans les asthmes sévères.
La première partie du projet sera une étude in vitro de cellules humaines et s’intéressera à la
polarisation Th17 et Th22 induite par les HAP sous forme soluble ou de nanoparticules. En
effet, les Th17 et Th22 ont été récemment décrites et se caractérisent par une sécrétion
spécifique de cytokines, pour les Th17, l’IL-17 et d’IL-22, pour les Th22 seulement l’IL-22 et
par l’expression préférentielle de facteurs de transcription RORγt et RORα pour les Th17 et
AhR pour les Th22. A côté de ces sous populations adaptatives ont été décrites des cellules
innées capables de sécréter les même cytokines que les T helper. Ces cellules se
caractérisent par une absence d’expression des marqueurs de lignées cellulaires
spécifiques, par une morphologie de type lymphoïde et par l’expression de la chaîne
commune γc commune à différents récepteurs de cytokines impliqués dans la prolifération
lymphocytaire (22). De par leur sécrétion de cytokines elles ont été classées en trois
groupes, le groupe 3 avec les ILC3 NCR- capable de sécréter l’IL-17 et l’IL-22 et les ILC3
NCR+ qui ne sécrètent que l’IL-22 nous intéressera particulièrement. Il est plus que probable
que ces nouvelles sous populations exprimant l’AhR répondent aux HAP et puissent moduler
la réponse immune globale notamment dans le cadre des maladies allergiques.
Dans un deuxième temps nous nous focaliserons sur un modèle in vivo chez la souris
d’asthme chronique aux acariens ou au chien. Ces modèles sont déjà en place au
laboratoire nous étudierons le rôle de l’IL-22 dans le remodelage bronchique et le rôle
adjuvant des nanoparticules adsorbées avec un HAP de référence le benzo-a-pyrene
(B[a]P). L’implication de l’AhR et de l’IL-22 ainsi que des différentes sous populations de
cellules productrices d’IL-22 sera évaluée en utilisant des souris génétiquement modifiées
déjà disponibles au laboratoire ou en collaboration.
Profil du (ou de la) candidat(e) :
De préférence un Master 2 en immunologie ou avec de solides bases en immunologie.
Techniques : Culture cellulaire en L2, manipulation des animaux de laboratoire (souris),
cytométrie en flux, dosage ELISA.
Le plus : Habilitation à l’expérimentation animale niveau 2
PhD project: Role of PAH pollutants on IL-22 production and airway
remodeling in severe allergic asthma
Scientific context :
Allergic asthma :
Allergic diseases are steadily increasing in industrialized countries. Allergic asthma is a
chronic inflammatory disease (1) resulting in an inappropriate response of the body to a
normally inert environmental element, the allergen. It involves several cell types and is
characterized by eosinophilic pulmonary infiltrates and Th2 polarization with secretion of
cytokines such as interleukin 4 (IL-4), IL-5 and IL-13. This inflammation is responsible for the
bronchial hyperreactivity against allergens and nonspecific stimuli, decreased lung function
and symptoms of the disease. In the most severe cases, there is a modification of the
pulmonary infiltrate with a replacement of eosinophils by neutrophils, and bronchial
remodeling that becomes resistant to usual treatment with inhaled corticosteroids (2).
Pollutants :
Asthma is a multifactorial disease that involves genetic predispositions, but also
environmental factors, including exposure to pollutants. Numerous studies show the effect of
polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) on the allergic inflammatory response. These
molecules are derived from the incomplete combustion of hydrocarbons including diesel, and
are emitted in the form of carbon particles on which PAHs are adsorbed. Smaller particles
such as nanoparticles are able to go deep into the bronchial tree and are very difficult to
remove from the lung. Several in vivo and in vitro studies have shown that PAHs act at
different levels of the immune response. PAHs can directly exacerbate the inflammatory
response by inducing the production of pro-inflammatory mediators (3,4). They also play an
essential role in the adjuvant effect and exacerbation of allergic asthma, in particular by
inducing Th2 cytokines (5-7) and pro-Th2 chemokines potentiating allergic reaction (8-10). In
addition, PAHs and diesel exhaust particles (DEP) can also promote the recruitment of
eosinophils and neutrophils via the production of IL-17 and are involved in the severity of
asthma (11-14).
The transcription factor Aryl hydrocarbon Receptor (AhR), has been identified as PAHs
receptor and shown to be involved in the development of newly described adaptive
lymphocyte subsets (Th17/Th22) and innate lymphoid cells (ILC3). These subpopulations are
able to produce IL-22 through AhR activation. Severe allergic asthma is characterized by an
additional neutrophil infiltration and associated with chronic airway remodeling resistant to
conventional treatments. Both parameters may involve these newly described
subpopulations.
Project :
We will particularly focus on populations secreting IL-22. Indeed, the receptor for IL-22 is
specifically expressed by structural cells such as bronchial epithelial cells and smooth
muscle cells. IL-22 has a controversial role in mouse models of asthma, depending on the
kinetic of administration; it can be pro- or anti-inflammatory (15-18). However, the protocols
used in these studies induced acute asthma without chronicity and airway remodelling. In
contrast, in humans, high levels of IL-22 are associated with the severity of asthma (18,19)
and the most severe asthma are characterized by a significant airway remodeling. In
addition, IL-22 has been involved in tissue repair and skin remodeling (20) but also in the
pulmonary epithelial-mesenchymal transition in vitro (21) prerequisite for airway remodeling
in vivo. Thus, the aim of this project is to identify whether IL-22 contributes to airway
remodeling in severe asthma and if PAHs are able to exacerbate the IL-22 production.
In the first part of the project, we will evaluate in vitro the Th17 and Th22 polarization of
human cells induced by PAHs soluble or absorbed on nanoparticles. Th17 and Th22
populations were recently described and characterized by secretion of specific cytokines, IL17 and IL-22 for Th17 and only IL-22 for Th22. They also preferentially express transcription
factors, RORα and RORγt for Th17 and AhR for Th22. Apart from these adaptive cells, newly
described innate lymphoid cells (ILC) have been shown to be capable of secreting the same
cytokines. These cells are characterized by the lack of expression of lineage specific
markers, have lymphoid morphology and express the cytokine receptor common γc chain
involved in lymphocyte proliferation (22). They were classified into three groups according to
their secretion of cytokines, group 3 is composed of ILC3 Natural Cytotoxic Receptor (NCR)capable of secreting IL-17 and IL-22 and ILC3 NCR+ that secrete IL-22. These
subpopulations express the PAHs receptor AhR and can modulate the overall immune
response particularly in the context of allergic diseases.
In a second step we will focus on in vivo models of mite and dog allergen-induced chronic
asthma in mice. These models are already functionals in the laboratory. We will study the
role of IL-22 in airway remodeling and the adjuvant role of nanoparticles adsorbed with a
reference PAH; benzo-a-pyrene (B[a]P). The involvement of the AhR, IL-22 and the different
subpopulations of IL-22 producing cells will be evaluated using modified mice already
available in the laboratory or in collaboration.
Candidate profile:
Preferably a Master 2 in immunology or with a strong background in immunology.
Techniques: Cell culture in L2, handling of laboratory animals (mice), flow cytometry, protein
analysis by ELISA.
Level 2 qualification in animal testing will be appreciated
Références du projet :
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3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Bousquet J, Jeffery PK, Busse WW, Johnson M, Vignola AM. Asthma. From bronchoconstriction to airways
inflammation and remodeling. Am J Respir Crit Care Med. mai 2000;161(5):1720‑1745.
Barnes PJ. Immunology of asthma and chronic obstructive pulmonary disease. Nat Rev Immunol. mars
2008;8(3):183‑192.
Bayram H, Devalia JL, Khair OA, Abdelaziz MM, Sapsford RJ, Sagai M, et al. Comparison of ciliary activity
and inflammatory mediator release from bronchial epithelial cells of nonatopic nonasthmatic subjects and
atopic asthmatic patients and the effect of diesel exhaust particles in vitro. J Allergy Clin Immunol. nov
1998;102(5):771‑782.
Takizawa H, Ohtoshi T, Kawasaki S, Abe S, Sugawara I, Nakahara K, et al. Diesel exhaust particles
activate human bronchial epithelial cells to express inflammatory mediators in the airways: a review.
Respirol Carlton Vic. juin 2000;5(2):197‑203.
Diaz-Sanchez D, Tsien A, Casillas A, Dotson AR, Saxon A. Enhanced nasal cytokine production in human
beings after in vivo challenge with diesel exhaust particles. J Allergy Clin Immunol. juill 1996;98(1):114‑
123.
Diaz-Sanchez D, Tsien A, Fleming J, Saxon A. Combined diesel exhaust particulate and ragweed allergen
challenge markedly enhances human in vivo nasal ragweed-specific IgE and skews cytokine production to
a T helper cell 2-type pattern. J Immunol Baltim Md 1950. 1 mars 1997;158(5):2406‑2413.
Plé C, Chang Y, Wallaert B, Tsicopoulos A. [Environmental pollution and allergy: immunological
mechanisms]. Rev Pneumol Clin. févr 2013;69(1):18‑25.
Chang Y, Sénéchal S, de Nadai P, Chenivesse C, Gilet J, Vorng H, et al. Diesel exhaust exposure favors
TH2 cell recruitment in nonatopic subjects by differentially regulating chemokine production. J Allergy Clin
Immunol. août 2006;118(2):354‑360.
Fahy O, Sénéchal S, Pène J, Scherpereel A, Lassalle P, Tonnel A-B, et al. Diesel exposure favors Th2 cell
recruitment by mononuclear cells and alveolar macrophages from allergic patients by differentially
regulating macrophage-derived chemokine and IFN-gamma-induced protein-10 production. J Immunol
Baltim Md 1950. 1 juin 2002;168(11):5912‑5919.
Sénéchal S, de Nadai P, Ralainirina N, Scherpereel A, Vorng H, Lassalle P, et al. Effect of diesel on
chemokines and chemokine receptors involved in helper T cell type 1/type 2 recruitment in patients with
asthma. Am J Respir Crit Care Med. 15 juill 2003;168(2):215‑221.
Fahy O, Tsicopoulos A, Hammad H, Pestel J, Tonnel AB, Wallaert B. Effects of diesel organic extracts on
chemokine production by peripheral blood mononuclear cells. J Allergy Clin Immunol. juin
1999;103(6):1115‑1124.
Fahy O, Hammad H, Sénéchal S, Pestel J, Tonnel AB, Wallaert B, et al. Synergistic effect of diesel organic
extracts and allergen Der p 1 on the release of chemokines by peripheral blood mononuclear cells from
allergic subjects: involvement of the map kinase pathway. Am J Respir Cell Mol Biol. août 2000;23(2):247‑
254.
Acciani TH, Brandt EB, Khurana Hershey GK, Le Cras TD. Diesel exhaust particle exposure increases
severity of allergic asthma in young mice. Clin Exp Allergy J Br Soc Allergy Clin Immunol. déc
2013;43(12):1406‑1418.
Brandt EB, Kovacic MB, Lee GB, Gibson AM, Acciani TH, Le Cras TD, et al. Diesel exhaust particle
induction of IL-17A contributes to severe asthma. J Allergy Clin Immunol. nov 2013;132(5):1194‑1204.e2.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Taube C, Tertilt C, Gyülveszi G, Dehzad N, Kreymborg K, Schneeweiss K, et al. IL-22 is produced by
innate lymphoid cells and limits inflammation in allergic airway disease. PloS One. 2011;6(7):e21799.
Schnyder B, Lima C, Schnyder-Candrian S. Interleukin-22 is a negative regulator of the allergic response.
Cytokine. mai 2010;50(2):220‑227.
Takahashi K, Hirose K, Kawashima S, Niwa Y, Wakashin H, Iwata A, et al. IL-22 attenuates IL-25
production by lung epithelial cells and inhibits antigen-induced eosinophilic airway inflammation. J Allergy
Clin Immunol. nov 2011;128(5):1067‑1076.e1‑6.
Besnard A-G, Sabat R, Dumoutier L, Renauld J-C, Willart M, Lambrecht B, et al. Dual Role of IL-22 in
allergic airway inflammation and its cross-talk with IL-17A. Am J Respir Crit Care Med. 1 mai
2011;183(9):1153‑1163.
Zhu J, Cao Y, Li K, Wang Z, Zuo P, Xiong W, et al. Increased expression of aryl hydrocarbon receptor and
interleukin 22 in patients with allergic asthma. Asian Pac J Allergy Immunol Launched Allergy Immunol Soc
Thail. sept 2011;29(3):266‑272.
Eyerich S, Eyerich K, Pennino D, Carbone T, Nasorri F, Pallotta S, et al. Th22 cells represent a distinct
human T cell subset involved in epidermal immunity and remodeling. J Clin Invest. déc 2009;119(12):3573‑
3585.
Johnson JR, Nishioka M, Chakir J, Risse P-A, Almaghlouth I, Bazarbashi AN, et al. IL-22 contributes to
TGF-β1-mediated epithelial-mesenchymal transition in asthmatic bronchial epithelial cells. Respir Res.
2013;14:118.
Spits H, Di Santo JP. The expanding family of innate lymphoid cells: regulators and effectors of immunity
and tissue remodeling. Nat Immunol. janv 2011;12(1):21‑27.