Neonatal sepsis is one of the leading causes of morbidity and mortality in newborns, responsible for approximately 0.4 million deaths annualy worldwide. As adaptive immunity is not fully developed at birth, newborns have to rely on innate immunity to fight infections. Monocytes are innate immune cells that, depending on the environmental eues to which they are exposed, differentiate into pro- inflammatory M1 or anti-inflammatory M2 macrophages. Monocytes and macrophages have the capability to detect bacteria, and then to initiate, amplify, and terminate the immune response to eliminate the bacteria without damaging the host.
In the first part of this thesis, we investigated the ability of newborn and adult monocytes to differentiate into macrophages and to polarize into M1 or M2 macrophages. Upon exposure to LPS, newborn M1 macrophages produced lower levels of the pro-inflammatory cytokine TNF than adult M1 macrophages, while newborn and adult M2 macrophages produced similar levels of IL-10. Compared to adults, newborn M1 macrophages expressed lower levels of IRF5, a transcription factor involved in M1 polarization. Increased LPS-induced TNF sécrétion upon IRF5 overexpression in neonatal M1 macrophages suggests that IRF5 is an important regulatory factor in newborn macrophages.
In the second part, we tested the hypothesis that there should be mechanisms counterbalancing the anti-inflammatory phenotype in neonatal monocytes. During pregnancy, high circulating levels of adenosine and prostaglandins reduce the ability of fetal immune cells to mount powerful pro- inflammatory responses. In contrast, newborns express 10-fold higher levels of the pro-inflammatory immune regulator migration inhibitory factor (MIF) compared with adults. MIF sustains cell activation and cytokine production and counterregulates adenosine and prostaglandin E2-mediated immunosuppression in newborn monocytes. Yet excessive MIF expression during an established infection worsens the outeome of newborn mice. Thus, we identify a unique rôle for MIF in regulating neonatal innate immune responses and propose that MIF has a protective rôle to reduce susceptibility to infection during the neonatal period but may favor uncontrolled inflammation during sepsis, leading to adverse outeomes.
In the third part, we performed a study of age-dependent circulating levels of MIF and DDT, the second member of the MIF family. A strong corrélation was observed between MIF and DDT concentrations in ail âge groups. In very preterm infants, lower levels of MIF and DDT on postnatal day 6 were associated with an increased risk of developing bronchopulmonary dysplasia and late- onset neonatal sepsis, suggesting that MIF and DDT could represent novel biomarkers. Thus, MIF and DDT show a specific developmental profile in early life, supporting a rôle for these cytokines during the neonatal period.
Overall, our work contributes to the current knowledge about innate immunity and suggests potential candidates that might be used to formulate novel therapeutic stratégies against neonatal sepsis.
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Chaque année environ 400'000 enfants décèdent suite à une infection bactérienne acquise pendant les 28 premiers jours de vie. A la naissance, l'immunité adaptative n'est pas complètement développée. Les nouveau-nés dépendent de leur système immunitaire inné pour lutter contre les infections. Les monocytes sont des cellules du système immunitaire inné qui se différentient en macrophages selon l'environnement dans lequel ils se trouvent. Les macrophages polarisés en type M1 produisent des cytokines pro-inflammatoires et les macrophages polarisés en type M2 produisent des cytokines anti-inflammatoires. Les monocytes et les macrophages ont pour rôle de détecter les bactéries et d'initier, amplifier, puis terminer la réponse immunitaire.
Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié la capacité des monocytes de nouveau-nés et d'adultes à se différencier en macrophages et à se polariser en type M1 ou type M2. En cas d'exposition au LPS, les macrophages M1 de nouveau-nés produisaient des taux inférieurs de la cytokine pro-inflammatoire TNF que les macrophages M1 adultes. En comparaison aux macrophages M1 d'adultes, les macrophages M1 de nouveau-nés exprimaient des niveaux inférieurs d'IRF5, un facteur de transcription impliqué dans la polarisation M1. Une surexpression d'IRF5 dans les macrophages M1 de nouveau-nés augmentait la sécrétion de TNF induite par LPS. Ces données identifient IRF5 comme un facteur important déterminant les caractéristiques spécifiques des macrophages néonatals.
Dans la deuxième partie, nous avons testé l'hypothèse qu'il devrait y avoir des mécanismes contrebalançant le phénotype anti-inflammatoire des monocytes en période néonatale. Pendant la grossesse, des concentrations élevées d'adénosine et de prostaglandines réduisent la capacité des cellules immunitaires du fœtus à développer des réponses pro-inflammatoires. Etonnamment, le MIF, une cytokine pro-inflammatoire, est exprimé à des concentrations 10 fois élevées dans le sang des nouveau-nés que dans le sang des adultes. Lors d'exposition de monocytes de nouveau-nés à des bactéries, MIF stimule les réponses pro-inflammatoires et interfère avec l'effet immunosuppresseur de l'adénosine et des prostaglandines. Ces données fournissent une explication mécaniste sur la façon dont les nouveau-nés peuvent faire face à un environnement immunosuppresseur et maintenir un certain seuil de défenses innées. Toutefois, en présence d'une infection établie, MIF contribue aux réactions inflammatoires exagérées conduisant au sepsis.
Dans la troisième partie, nous avons identifié un profil développemental spécifique des concentrations circulantes de MIF et DDT (le deuxième membre de la famille MIF). Une forte corrélation a été observée entre les concentrations de MIF et de DDT dans tous les groupes d'âge. Chez les nouveau- nés prématurés, des niveaux inférieurs de MIF et de DDT ont été associés au risque de développer une dysplasie bronchopulmonaire et un sepsis, ce qui suggère que MIF et DDT pourraient représenter de nouveaux biomarqueurs.
Les résultats de notre travail apportent des connaissances importantes et identifient des candidats potentiels qui pourraient être utilisés dans des stratégies thérapeutiques contre le sepsis néonatal.
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Les nouveau-nés sont particulièrement susceptibles aux infections. En effet, chaque année environ 400'000 enfants décèdent suite à une infection bactérienne acquise pendant les 28 premiers jours de vie. A la naissance, la capacité à produire des anticorps n'est pas complètement développée. Les nouveau-nés doivent compter sur la partie de leur système immunitaire qu'on appelle « immunité innée » pour se défendre contre les infections. La susceptibilité élevée aux infections observée en période néonatale est liée à une capacité limitée à développer une réponse immunitaire innée efficace lors d'exposition à des agents infectieux. Les monocytes et les macrophages sont des cellules du système immunitaire inné qui jouent un rôle central comme première ligne de défense contre les infections. Ces cellules identifient les bactéries potentiellement dangereuses, puis initient, amplifient, coordonnent et ensuite terminent la réponse immunitaire afin d'éliminer les bactéries sans abîmer les organes et tissus. Les monocytes sont des cellules de la circulation sanguine. Lors d'infection, les monocytes quittent les vaisseaux sanguins pour rejoindre les tissus infectés et assurer leurs fonctions de défense immunitaire. Les monocytes se différentient en macrophages, et acquièrent des fonctions spécifiques qui dépendent de l'environnement dans lequel ils se trouvent. Certaines molécules présentes dans l'environnement tissulaire (cytokines, facteurs de croissance, hormones) induisent la polarisation des macrophages en type M1, dont la fonction est de tuer les bactéries et de produire des cytokines pro-inflammatoires qui amplifient la réponse immunitaire. D'autres molécules induisent la polarisation des macrophages en type M2, spécialisés dans la réparation des tissus endommagés et la production de cytokines permettant de terminer la réponse inflammatoire. L'objectif de notre travail est de caractériser les différences entre le système immunitaire inné du nouveau-né et celui de l'adulte, afin mieux comprendre pourquoi les nouveau-nés sont à risque de développer des infections.
Pour réaliser ce travail, nous avons obtenu des monocytes isolés au laboratoire à partir de sang prélevé chez des adultes en bonne santé et chez des nouveau-nés à terme sains (sang prélevé sur leur placenta après la naissance). Nous avons cultivé ces monocytes et nous les avons différencié en macrophages M1 et M2. Lors d'exposition à des lipopolysaccharides, un produit de la paroi des bactéries, les macrophages M1 de nouveau-nés avaient une réponse inflammatoire plus faible que les macrophages d'adultes. Nous avons pu identifier, chez les macrophages M1 de nouveau-nés, une expression réduite d'une protéine appelée IRF5, qui pourrait être à la base de la réponse inflammatoire plus faible des macrophages de nouveau-nés et d'une susceptibilité accrue aux infections en période néonatale.
Notre travail a également a permis d'identifier le rôle unique d'une cytokine pro-inflammatoire appelée MIF, qui est présente à des concentrations très élevées dans la circulation sanguine à la naissance. Cette cytokine contrôle de façon spécifique la réponse immunitaire des nouveau-nés et contrebalance l'effet des molécules immunosuppressives produites pendant la vie fœtale par le placenta.
Ces approches visent à identifier de nouvelles stratégies pour renforcer les défenses immunitaires des nouveau-nés.