Impact de la fumée de cigarette sur les capacités de régénération alvéolaire au cours de l’emphysème pulmonaire

Contexte
L’exposition prolongée à la fumée de cigarette peut mener à une destruction progressive des septums inter-alvéolaires ayant pour résultat l’emphysème et parfois aboutir à l’insuffisance respiratoire chronique (1). Les alvéoles ne sont pas en mesure de réparer leurs structures une fois que les lésions sont constituées (2) et aucun processus de régénération spontanée ne se produit. La fumée de cigarette induit une perte durable des capacités de réparation alvéolaire par épuisement des cellules progénitrices alvéolaires. Les effets de la fumée de cigarette sur les cellules souches alvéolaires et sur leurs capacités de réparation restent mal décrits.

En fonction de leurs caractéristiques, les cellules mesenchymateuses, en particulier les fibroblastes, peuvent induire la prolifération et la différenciation des pneumocytes de type 2 (AEC2) ou avoir des effets délétères sur la croissance alvéolaire (3). L’altération des cellules mésenchymateuses peut ainsi moduler la niche des cellules progénitrices et conduire spontanément à un phénotype emphysémateux (4). Plusieurs populations mésenchymateuses ont été récemment identifiées dans le compartiment alvéolaire du poumon(5). Parmi eux, les fibroblastes interstitiels contenant des gouttelettes lipidiques, appelés lipofibroblastes (LIF) (6) jouent un rôle central dans le microenvironnement des cellules progénitrices alvéolaires. Ces cellules favorisent la septation secondaire et la formation d’alvéoles pendant le développement en fournissant aux AEC2 les lipides facilitant leur auto-renouvellement et la synthèse de surfactant.
Les données préliminaires de notre équipe montrent que les fibroblastes des fumeurs qui ont développé l’emphysème ont moins de gouttelettes lipidiques que ceux des fumeurs sans emphysème. Nous avons montré, en utilisant des modèles d’organoïdes alvéolaires semi-physiologiques en culture 3D, que les LIF provenant de souris adultes sont capables d’induire un auto-renouvellement des AEC2 alors que les fibroblastes non lipidiques ne parviennent pas à induire ce processus (7).

Hypothèse
Nous émettons l’hypothèse que l’exposition à la fumée de cigarette module les fibroblastes dans la niche des cellules souches alvéolaires et induit une altération à l’origine d’une perte de capacité régénératrice alvéolaire conduisant au développement de l’emphysème. Cibler le microenvironnement, ou niche, des cellules souches alvéolaires pourrait être une voie importante pour induire la régénération endogène chez les patients atteints d’emphysème.
Pour répondre aux questions de recherche soulevées, le projet utilise plusieurs approches in vitro et in vivo pour étudier les différentes populations de niches de cellules souches mésemchymateuses et déterminer leurs impacts sur la régénération alvéolaire de patients fumeurs. (emphysémateux ou non) par rapport aux non-fumeurs

Objectif principal
Comparer la capacité régénérative alvéolaire des cellules mésenchymateuses (fibroblastes) à partir d’une formation d’organoïdes alvéolaires entre les fumeurs avec emphysème, les fumeurs sans emphysème et les non-fumeurs.

Méthodes
Des explants pulmonaires humains seront obtenus auprès de patients subissant une chirurgie thoracique pour la résection pulmonaire et participant à cette étude descriptive longitudinale prospective multicentrique impliquant le Département de pneumologie du Centre Hospitalier Intercommunal de Créteil, deux départements de chirurgie thoracique (hôpital Tenon, hôpital européen Georges Pompidou) et l’Institut Mondor de recherche médicale.
Les capacités régénératives alvéolaires seront évaluées grâce à la capacité des cellules mésenchymateuses alvéolaires humaines et murines à induire la formation d’alvéolosphère en co-culture 3D avec AEC2. Nous caractériserons les populations cellulaires du parenchyme pulmonaire des patients emphysémateux comparés aux patients fumants sans emphysème ou non-fumeurs par single-cell RNAseq. Le profil lipidique des fibroblastes chez les patients emphysémateux sera évalué et comparé aux patients fumeurs sans emphysème ou non-fumeurs par immunostaining ; coloration de lipidtox et analyse lipidomique du surnageant de fibroblastes.Enfin, nous effectuerons la reprogrammation pharmacologique des fibroblastes vers un profil lipidique et évaluerons son impact sur les processus de régénération alvéolaire en traitant les fibroblastes et les souris avec un activateur SREBP appelé T0901317.

Résultats et perspectives attendus
Nous nous attendons à démontrer l’altération de la régénération alvéolaire dans l’emphysème induit par la fumée de cigarette et de déterminer le rôle de niche mésenchymateuse de cellules souches dans ce processus. L’emphysème, induit par le tabagisme est estimé comme la 3ème cause de décès dans le monde et génère des coûts de santé importants. L’identification des mécanismes permettant la régénération de la structure pulmonaire chez ces patients est essentielle dans un contexte où aucune thérapie n’a été en mesure de montrer une augmentation de la durée de vie de ces patients une fois que l’arrêt du tabac a été obtenu.

Citations : 

1. Rabe KF, Watz H. Chronic obstructive pulmonary disease. Lancet Lond Engl. 2017 May 13;389(10082):1931–40.
2. Zacharias WJ, Frank DB, Zepp JA, Morley MP, Alkhaleel FA, Kong J, et al. Regeneration of the lung alveolus by an evolutionarily conserved epithelial progenitor. Nature. 2018 Mar;555(7695):251–5.
3. Zepp JA, Zacharias WJ, Frank DB, Cavanaugh CA, Zhou S, Morley MP, et al. Distinct Mesenchymal Lineages and Niches Promote Epithelial Self-Renewal and Myofibrogenesis in the Lung. Cell. 2017 Sep 7;170(6):1134-1148.e10.
4. Wang C, de Mochel NSR, Christenson SA, Cassandras M, Moon R, Brumwell AN, et al. Expansion of hedgehog disrupts mesenchymal identity and induces emphysema phenotype. J Clin Invest. 2018 01;128(10):4343–58.
5. Ushakumary MG, Riccetti M, Perl A-KT. Resident interstitial lung fibroblasts and their role in alveolar stem cell niche development, homeostasis, injury, and regeneration. STEM CELLS Transl Med [Internet]. [cited 2021 Mar 8];n/a(n/a). Available from: https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/sctm.20-0526
6. El Agha E, Moiseenko A, Kheirollahi V, De Langhe S, Crnkovic S, Kwapiszewska G, et al. Two-Way Conversion between Lipogenic and Myogenic Fibroblastic Phenotypes Marks the Progression and Resolution of Lung Fibrosis. Cell Stem Cell. 2017 Apr 6;20(4):571.
7. Zysman M, Baptista BR, Essari L-A, Taghizadeh S, Thibault de Ménonville C, Giffard C, et al. Targeting p16INK4a Promotes Lipofibroblasts and Alveolar Regeneration after Early-Life Injury. Am J Respir Crit Care Med. 2020 15;202(8):1088–104.