DEVELOPMENT OF A HUMAN IPSC-DERSVED CENTRAL NERVOUS SYSTEM MODEL: APPLICATIONS TO STUDY MULTIPLE SCLEROSIS PHYSIOPATHOLOGY

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Serval ID
serval:BIB_1115F6D6D5E7
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
DEVELOPMENT OF A HUMAN IPSC-DERSVED CENTRAL NERVOUS SYSTEM MODEL: APPLICATIONS TO STUDY MULTIPLE SCLEROSIS PHYSIOPATHOLOGY
Author(s)
Perriot Sylvain
Director(s)
Du Pasquier Renaud
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2018
Language
english
Abstract
La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central (SNC), caractérisée par une démyélinisation multifocale suivie d'une destruction axonale. Cette démyélinisation résulte de l'infiltration de cellules immunitaires dans le SNC mais les mécanismes précis de cette attaque sont encore inconnus. Malgré cet important défaut de connaissances dans la compréhension de la SEP, aucun modèle n'a jusque-là été développé pour étudier les effets des cellules immunitaires de patients SEP sur le SNC humain.
Pour résoudre ce problème, nous avons développé un modèle in vitro de SNC, dérivé de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs). Grâce à cette technologie, nous avons pu générer des neurones, des astrocytes et des oligodendrocytes de patients SEP. La caractérisation détaillée de ces cellules a révélé une forte similitude avec des cellules humaines primaires du SNC, validant ainsi ce modèle. Nous avons donc accès aux cellules du SNC de patients SEP vivants, permettant ainsi d'étudier les interactions entre leurs cellules immunitaires et leurs cellules du SNC dérivées d'iPSCs dans un système complètement autologue.
Premièrement, nous avons utilisé ce modèle pour étudier l'impact de cytokines associées à la SEP (TNFa, IL- 1(5 and IL-6) sur les astrocytes, un type cellulaire particulièrement important dans la neuroinflammation. Grâce à une étude approfondie du transcriptome et du sécrétome de ces cellules, nous avons démontré que ces cytokines génèrent des profils d'activation très distincts. Ces résultats suggèrent que les astrocytes acquièrent différentes fonctions dépendamment du contexte inflammatoire, un concept jusque-là non démontré sur des cellules humaines.
Deuxièmement, nous avons développé un système pour identifier des cellules T, en particulier CD8+, reconnaissant des autoantigènes du SNC chez les patients SEP. En effet, les cellules du SNC dérivées de patients SEP ayant une parfaite compatibilité HLA avec leurs lymphocytes T, il est désormais possible d'identifier des cellules T autoréactives, sans idée préconçue d'un antigène en particulier. Nous avons démontré que ces cellules du SNC dérivées d'iPSCs expriment des molécules du CMH fonctionnelles et peuvent être reconnus par des cellules exprimant un TCR. De plus, nous décrivons une nouvelle technique pour identifier et isoler rapidement des cellules T spécifiques d'un antigène sans expansion préalable in vitro. En utilisant des cellules du SNC autologues, dérivées d'iPSCs, comme cellules présentatrices d'antigènes, nous pouvons quantifier les cellules T autoréactives contre le SNC et étudier si elles présentent un phénotype différent chez les patients SEP comparé aux donneurs sains. 
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Multiple sclerosis (MS) is an autoinflammatory disease of the central nervous system (CNS). MS is characterized by a multifocal demyelination followed by axonal destruction. It is commonly accepted that demyelination results from the infiltration of peripheral immune cells in the CNS, but the précisé mechanisms of this injury are still unknown. Despite this important lack of knowledge in MS immunopathogenesis, no model has been developed so far to study the effects of immune cells from MS patients on the CNS in a human context.
To tackle this issue, we have developed an in vitro CNS model derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Using this technology, we could generate neurons, astrocytes and oligodendrocytes from MS patients and healthy donors. The detailed characterization of these iPSC- derived CNS cells revealed their close similarity with primary human CNS cells, therefore validating the relevance of such a model. Thus, we have accessto CNS cells from living MS patients, which opens the possibility to study the interactions between their immune cells and their CNS cells derived from iPSCs in a completely autologous system.
First, we used this human CNS model to study the impact of MS-associated cytokines (TNFa, IL-ip and IL-6) on astrocytes, a cell type particularly important neuroinflammation. Our in-depth characterization of astrocyte transcriptome and secretome unravels very distinct profiles of activation depending on the stimulating cytokine. Thus, our data hints for différent functions of astrocytes in depending on the neuroinflammatory context, a concept never demonstrated so far on human cells.
Second, we developed a system to investigate the putative presence of T cells, in particular CD8+ ones, recognizing CNS autoantigens in MS patients. Indeed, having at hand hiPSC-derived CNS cells from these patients, thus exhibiting a perfect HLA compatibility with their T lymphocytes, it is therefore possible to identify CNS-autoreactive T cells without preconceived ideas regarding a given autoantigen. We demonstrate that iPSC-derived CNS cells express functional MHC class I molecules and can be recognized by TCR-expressing cells. In addition, we propose a novel technique to rapidly identify and isolate rare antigen-specific T cells without the need for in vitro expansion. Using autologous iPSC-derived CNS cells as antigen-presenting cells we will be in the position to quantify CNS-autoreactive T cells and to investigate if these cells present a specific phenotype in in MS patients vs healthy donors. 
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La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central. Elle est caractérisée par une destruction de la myéline, une substance synthétisée par les oligodendrocytes, et qui permet la conduction de l'influx nerveux. Cette démyélinisation engendre sur le long terme la mort des neurones et provoque de graves troubles neurologiques. On sait que ces attaques sur la myéline sont causées par le système immunitaire mais les mécanismes précis ne sont pas connus. Malgré cet important manque de connaissances, aucun modèle expérimental n'a jusque-là été développé pour étudier les effets des cellules immunitaires de patients atteints de SEP sur le système nerveux central humain.
En effet, il est pratiquement impossible d'obtenir des échantillons de tissu cérébral de ces patients. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un modèle in vitro de système nerveux central humain, dérivé de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs). Cette technologie permet de reprogrammer des cellules adultes, tels que des cellules du sang, en cellules souches pluripotentes ayant les mêmes caractéristiques que des cellules souches embryonnaires. Grâce à ces cellules souches, nous pouvons générer des neurones, astrocytes et oligodendrocytes, les principales cellules du système nerveux central humain, et ainsi obtenir un modèle expérimental de « mini-cerveau » in vitro. L'avantage majeur de notre modèle est qu'il est dérivé directement de cellules de patients atteintes de SEP, et possède donc une compatibilité HLA parfaite avec les cellules immunitaires de ces patients, compatibilité en particulier nécessaire pour l'étude des lymphocytes T.
Grâce à ce modèle, nous pouvons étudier deux questions fondamentales, jusque-là sans réponse, dans la physiopathologie de la SEP :
Quels sont les effets directs des lymphocytes T de patients SEP sur les cellules de leur système nerveux central ?
Comment les cellules du système nerveux central réagissent au contexte inflammatoire de la SEP ?
Premièrement, nous avons utilisé ce modèle pour démontrer que les astrocytes, des cellules clés dans la neuroinflammation, répondent de manière très contrastée à différents médiateurs inflammatoires associés à la SEP. Ces résultats laissent donc penser que ces astrocytes possèdent différentes fonctions dépendamment du contexte inflammatoire, un concept jusque-là non démontré sur des cellules humaines.
Deuxièmement, grâce à la compatibilité HLA parfaite de notre modèle avec les cellules immunitaires des patients, nous avons pu développer un système permettant d'identifier des lymphocytes T reconnaissant spécifiquement des cellules du système nerveux central. Ces lymphocytes étant suspectées d'être les responsables directs des attaques sur la myéline, notre système nous permettra de caractériser ces cellules et d'étudier si elles sont effectivement pathogéniques.
Create date
11/11/2019 11:13
Last modification date
12/11/2019 6:26
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