Rôle délétère des macrophages résidents de la moelle osseuse dans la réponse des cellules souches hématopoïétiques aux radiations ionisantes

With more than half of patients benefiting from it, radiotherapy is one of the most used method in cancer treatment. Despite its efficiency to eradicate tumors, its main inconvenience is the toxicity it can bring to surrounding healthy tissues. In bone marrow, which contains the hematopoietic stem cells (HSC), this toxicity can be highly harmful. Indeed, HSC are responsible for life-long generation of blood cells emphasizing the importance to preserve them. Those cells are localized in a cellular microenvironment, the hematopoietic niche, which is essential for HSC protection and to maintain their integrity. Within this niche, bone marrow resident macrophages expressing the CD169 surface marker have been shown to play a role in the maintenance of HSC in their niche, but also in their protection toward an oxidative stress. Therefore, the aim of my project was to define the role of resident bone marrow macrophages in HSC response to a 2 Gy total body irradiation (TBI), dose commonly used in fractionate radiation therapy. To address this question, I have used two models of mice depleted in CD169+ macrophages (CD169+ Mϕ): a pharmacological model (clodronate-liposomes) and a genetic model (CD169DTR/+ mice). In both models, I have shown that CD169+ Mϕ depletion before irradiation leads, short term after TBI, to a less important diminution of the HSC pool, coupled with a decrease in their apoptotic rate and an absence of reactive oxygen species (ROS) that are generally induced by radiations. Longer term after irradiation, this absence of CD169+ Mϕ allows a complete recovery of a functional pool of HSC. Taken together, those results demonstrate that the presence of resident macrophages during an irradiation has a deleterious effect by diminishing the HSC pool within the bone marrow. To highlight the mechanism(s) leading to this deleterious effect, I investigated the direct response of CD169+ Mϕ to irradiation, focusing on the oxidative stress response. I have observed that TBI induces an increase of the proportion of CD169+ Mϕ producing nitric oxide (NO), what is characteristic of the macrophage pro-inflammatory response. This increase is correlated with an augmentation of HSC with peroxynitrites, highly cytotoxic oxidants derived from the reaction between NO and ROS. The use of positive and negative NO modulators has shown that after a 2 Gy TBI, the diminution of NO production by CD169+ Mϕ decreases HSC apoptosis and restore their number, whereas a NO augmentation in the medullar microenvironment leads to the decrease of their number. Thus, this study demonstrates that irradiation increases NO production by bone marrow resident macrophages, leading to a harmful effect toward HSC. Those new data identify the resident macrophage as a promising candidate to modulate irradiation effects on HSC.Avec plus d’un patient sur deux qui en bénéficie, la radiothérapie est l’une des méthodes les plus utilisées dans le traitement des cancers. Malgré son efficacité dans l’éradication des tumeurs, le principal inconvénient de cette technique est la toxicité qu’elle peut entrainer sur les tissus sains environnants. Au niveau de la moelle osseuse, qui contient les cellules souches hématopoïétiques (CSH), cette toxicité peut être très délétère. En effet, les CSH sont responsables de l’hématopoïèse tout au long de la vie d’un individu, d’où l’importance de les préserver. Ces cellules sont localisées dans un microenvironnement cellulaire, appelé niche hématopoïétique, jouant un rôle majeur dans leur protection et le maintien de leur intégrité. Au sein de cette niche, les macrophages résidents de la moelle osseuse, caractérisés par l’expression du marqueur de surface CD169, ont montré un rôle à la fois dans le maintien des CSH dans leur niche, mais aussi dans la protection des cellules vis-à-vis d’un stress oxydatif. Dans ce contexte, mon projet de thèse avait pour but de définir le rôle de ces macrophages résidents de la moelle osseuse dans la réponse des CSH à une irradiation corps entier (TBI) de 2 Gy, dose couramment utilisée en radiothérapie fractionnée. Afin de répondre à cette question, j’ai utilisé deux modèles de souris déplétées en macrophages CD169+ (Mϕ CD169+) : un modèle pharmacologique (clodronate-liposomes) et un modèle génétique (souris CD169DTR/+). Dans ces deux modèles, j’ai montré qu’une déplétion des Mϕ CD169+ avant l’irradiation entraine à court-terme une diminution moins importante du réservoir de CSH, accompagnée d’une diminution de leur apoptose et d’une absence d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) généralement induites par l’irradiation. A plus long-terme, l’absence de Mϕ CD169+ permet un rétablissement complet d’un réservoir fonctionnel de CSH après irradiation. L’ensemble de ces résultats démontre que la présence des macrophages résidents lors d’une irradiation a un rôle délétère en diminuant la réserve de CSH au sein de la moelle osseuse. Afin de mettre en évidence le ou les mécanismes provoquant cet effet délétère, je me suis intéressée à la réponse directe des Mϕ CD169+ à l’irradiation, en ciblant particulièrement les phénomènes liés au stress oxydatif. J’ai observé que la TBI entraine une augmentation de la proportion de Mϕ CD169+ qui produisent de l’oxyde nitrique (NO), une des caractéristiques de la réponse de type pro-inflammatoire des Mϕ. Cette augmentation est corrélée à une augmentation des CSH ayant des peroxynitrites, oxydants extrêmement cytotoxiques issus de la réaction entre les NO et les ROS. L’utilisation de modulateurs négatifs ou positifs des NO a montré qu’après une TBI de 2 Gy, la diminution de la production de NO par les Mϕ CD169+ permet de limiter l’apoptose des CSH et de restaurer leur nombre, alors que l’augmentation de NO dans l’environnement médullaire entraîne une diminution de leur nombre. Cette étude démontre que l’irradiation accroit la production de NO par les macrophages résidents de la moelle, entrainant un effet nocif sur la réserve de CSH. Ces nouvelles données identifient le macrophage résident comme un candidat potentiel pour moduler les effets de l’irradiation sur les CSH

Rôle délétère des macrophages résidents de la moelle osseuse dans la réponse des cellules souches hématopoïétiques aux radiations ionisantes

With more than half of patients benefiting from it, radiotherapy is one of the most used method in cancer treatment. Despite its efficiency to eradicate tumors, its main inconvenience is the toxicity it can bring to surrounding healthy tissues. In bone marrow, which contains the hematopoietic stem cells (HSC), this toxicity can be highly harmful. Indeed, HSC are responsible for life-long generation of blood cells emphasizing the importance to preserve them. Those cells are localized in a cellular microenvironment, the hematopoietic niche, which is essential for HSC protection and to maintain their integrity. Within this niche, bone marrow resident macrophages expressing the CD169 surface marker have been shown to play a role in the maintenance of HSC in their niche, but also in their protection toward an oxidative stress. Therefore, the aim of my project was to define the role of resident bone marrow macrophages in HSC response to a 2 Gy total body irradiation (TBI), dose commonly used in fractionate radiation therapy. To address this question, I have used two models of mice depleted in CD169+ macrophages (CD169+ Mϕ): a pharmacological model (clodronate-liposomes) and a genetic model (CD169DTR/+ mice). In both models, I have shown that CD169+ Mϕ depletion before irradiation leads, short term after TBI, to a less important diminution of the HSC pool, coupled with a decrease in their apoptotic rate and an absence of reactive oxygen species (ROS) that are generally induced by radiations. Longer term after irradiation, this absence of CD169+ Mϕ allows a complete recovery of a functional pool of HSC. Taken together, those results demonstrate that the presence of resident macrophages during an irradiation has a deleterious effect by diminishing the HSC pool within the bone marrow. To highlight the mechanism(s) leading to this deleterious effect, I investigated the direct response of CD169+ Mϕ to irradiation, focusing on the oxidative stress response. I have observed that TBI induces an increase of the proportion of CD169+ Mϕ producing nitric oxide (NO), what is characteristic of the macrophage pro-inflammatory response. This increase is correlated with an augmentation of HSC with peroxynitrites, highly cytotoxic oxidants derived from the reaction between NO and ROS. The use of positive and negative NO modulators has shown that after a 2 Gy TBI, the diminution of NO production by CD169+ Mϕ decreases HSC apoptosis and restore their number, whereas a NO augmentation in the medullar microenvironment leads to the decrease of their number. Thus, this study demonstrates that irradiation increases NO production by bone marrow resident macrophages, leading to a harmful effect toward HSC. Those new data identify the resident macrophage as a promising candidate to modulate irradiation effects on HSC.Avec plus d’un patient sur deux qui en bénéficie, la radiothérapie est l’une des méthodes les plus utilisées dans le traitement des cancers. Malgré son efficacité dans l’éradication des tumeurs, le principal inconvénient de cette technique est la toxicité qu’elle peut entrainer sur les tissus sains environnants. Au niveau de la moelle osseuse, qui contient les cellules souches hématopoïétiques (CSH), cette toxicité peut être très délétère. En effet, les CSH sont responsables de l’hématopoïèse tout au long de la vie d’un individu, d’où l’importance de les préserver. Ces cellules sont localisées dans un microenvironnement cellulaire, appelé niche hématopoïétique, jouant un rôle majeur dans leur protection et le maintien de leur intégrité. Au sein de cette niche, les macrophages résidents de la moelle osseuse, caractérisés par l’expression du marqueur de surface CD169, ont montré un rôle à la fois dans le maintien des CSH dans leur niche, mais aussi dans la protection des cellules vis-à-vis d’un stress oxydatif. Dans ce contexte, mon projet de thèse avait pour but de définir le rôle de ces macrophages résidents de la moelle osseuse dans la réponse des CSH à une irradiation corps entier (TBI) de 2 Gy, dose couramment utilisée en radiothérapie fractionnée. Afin de répondre à cette question, j’ai utilisé deux modèles de souris déplétées en macrophages CD169+ (Mϕ CD169+) : un modèle pharmacologique (clodronate-liposomes) et un modèle génétique (souris CD169DTR/+). Dans ces deux modèles, j’ai montré qu’une déplétion des Mϕ CD169+ avant l’irradiation entraine à court-terme une diminution moins importante du réservoir de CSH, accompagnée d’une diminution de leur apoptose et d’une absence d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) généralement induites par l’irradiation. A plus long-terme, l’absence de Mϕ CD169+ permet un rétablissement complet d’un réservoir fonctionnel de CSH après irradiation. L’ensemble de ces résultats démontre que la présence des macrophages résidents lors d’une irradiation a un rôle délétère en diminuant la réserve de CSH au sein de la moelle osseuse. Afin de mettre en évidence le ou les mécanismes provoquant cet effet délétère, je me suis intéressée à la réponse directe des Mϕ CD169+ à l’irradiation, en ciblant particulièrement les phénomènes liés au stress oxydatif. J’ai observé que la TBI entraine une augmentation de la proportion de Mϕ CD169+ qui produisent de l’oxyde nitrique (NO), une des caractéristiques de la réponse de type pro-inflammatoire des Mϕ. Cette augmentation est corrélée à une augmentation des CSH ayant des peroxynitrites, oxydants extrêmement cytotoxiques issus de la réaction entre les NO et les ROS. L’utilisation de modulateurs négatifs ou positifs des NO a montré qu’après une TBI de 2 Gy, la diminution de la production de NO par les Mϕ CD169+ permet de limiter l’apoptose des CSH et de restaurer leur nombre, alors que l’augmentation de NO dans l’environnement médullaire entraîne une diminution de leur nombre. Cette étude démontre que l’irradiation accroit la production de NO par les macrophages résidents de la moelle, entrainant un effet nocif sur la réserve de CSH. Ces nouvelles données identifient le macrophage résident comme un candidat potentiel pour moduler les effets de l’irradiation sur les CSH

Deleterious effect of bone marrow resident macrophages on hematopoietic stem cell response to ionizing radiations

Avec plus d’un patient sur deux qui en bénéficie, la radiothérapie est l’une des méthodes les plus utilisées dans le traitement des cancers. Malgré son efficacité dans l’éradication des tumeurs, le principal inconvénient de cette technique est la toxicité qu’elle peut entrainer sur les tissus sains environnants. Au niveau de la moelle osseuse, qui contient les cellules souches hématopoïétiques (CSH), cette toxicité peut être très délétère. En effet, les CSH sont responsables de l’hématopoïèse tout au long de la vie d’un individu, d’où l’importance de les préserver. Ces cellules sont localisées dans un microenvironnement cellulaire, appelé niche hématopoïétique, jouant un rôle majeur dans leur protection et le maintien de leur intégrité. Au sein de cette niche, les macrophages résidents de la moelle osseuse, caractérisés par l’expression du marqueur de surface CD169, ont montré un rôle à la fois dans le maintien des CSH dans leur niche, mais aussi dans la protection des cellules vis-à-vis d’un stress oxydatif. Dans ce contexte, mon projet de thèse avait pour but de définir le rôle de ces macrophages résidents de la moelle osseuse dans la réponse des CSH à une irradiation corps entier (TBI) de 2 Gy, dose couramment utilisée en radiothérapie fractionnée. Afin de répondre à cette question, j’ai utilisé deux modèles de souris déplétées en macrophages CD169+ (Mϕ CD169+) : un modèle pharmacologique (clodronate-liposomes) et un modèle génétique (souris CD169DTR/+). Dans ces deux modèles, j’ai montré qu’une déplétion des Mϕ CD169+ avant l’irradiation entraine à court-terme une diminution moins importante du réservoir de CSH, accompagnée d’une diminution de leur apoptose et d’une absence d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) généralement induites par l’irradiation. A plus long-terme, l’absence de Mϕ CD169+ permet un rétablissement complet d’un réservoir fonctionnel de CSH après irradiation. L’ensemble de ces résultats démontre que la présence des macrophages résidents lors d’une irradiation a un rôle délétère en diminuant la réserve de CSH au sein de la moelle osseuse. Afin de mettre en évidence le ou les mécanismes provoquant cet effet délétère, je me suis intéressée à la réponse directe des Mϕ CD169+ à l’irradiation, en ciblant particulièrement les phénomènes liés au stress oxydatif. J’ai observé que la TBI entraine une augmentation de la proportion de Mϕ CD169+ qui produisent de l’oxyde nitrique (NO), une des caractéristiques de la réponse de type pro-inflammatoire des Mϕ. Cette augmentation est corrélée à une augmentation des CSH ayant des peroxynitrites, oxydants extrêmement cytotoxiques issus de la réaction entre les NO et les ROS. L’utilisation de modulateurs négatifs ou positifs des NO a montré qu’après une TBI de 2 Gy, la diminution de la production de NO par les Mϕ CD169+ permet de limiter l’apoptose des CSH et de restaurer leur nombre, alors que l’augmentation de NO dans l’environnement médullaire entraîne une diminution de leur nombre. Cette étude démontre que l’irradiation accroit la production de NO par les macrophages résidents de la moelle, entrainant un effet nocif sur la réserve de CSH. Ces nouvelles données identifient le macrophage résident comme un candidat potentiel pour moduler les effets de l’irradiation sur les CSH.With more than half of patients benefiting from it, radiotherapy is one of the most used method in cancer treatment. Despite its efficiency to eradicate tumors, its main inconvenience is the toxicity it can bring to surrounding healthy tissues. In bone marrow, which contains the hematopoietic stem cells (HSC), this toxicity can be highly harmful. Indeed, HSC are responsible for life-long generation of blood cells emphasizing the importance to preserve them. Those cells are localized in a cellular microenvironment, the hematopoietic niche, which is essential for HSC protection and to maintain their integrity. Within this niche, bone marrow resident macrophages expressing the CD169 surface marker have been shown to play a role in the maintenance of HSC in their niche, but also in their protection toward an oxidative stress. Therefore, the aim of my project was to define the role of resident bone marrow macrophages in HSC response to a 2 Gy total body irradiation (TBI), dose commonly used in fractionate radiation therapy. To address this question, I have used two models of mice depleted in CD169+ macrophages (CD169+ Mϕ): a pharmacological model (clodronate-liposomes) and a genetic model (CD169DTR/+ mice). In both models, I have shown that CD169+ Mϕ depletion before irradiation leads, short term after TBI, to a less important diminution of the HSC pool, coupled with a decrease in their apoptotic rate and an absence of reactive oxygen species (ROS) that are generally induced by radiations. Longer term after irradiation, this absence of CD169+ Mϕ allows a complete recovery of a functional pool of HSC. Taken together, those results demonstrate that the presence of resident macrophages during an irradiation has a deleterious effect by diminishing the HSC pool within the bone marrow. To highlight the mechanism(s) leading to this deleterious effect, I investigated the direct response of CD169+ Mϕ to irradiation, focusing on the oxidative stress response. I have observed that TBI induces an increase of the proportion of CD169+ Mϕ producing nitric oxide (NO), what is characteristic of the macrophage pro-inflammatory response. This increase is correlated with an augmentation of HSC with peroxynitrites, highly cytotoxic oxidants derived from the reaction between NO and ROS. The use of positive and negative NO modulators has shown that after a 2 Gy TBI, the diminution of NO production by CD169+ Mϕ decreases HSC apoptosis and restore their number, whereas a NO augmentation in the medullar microenvironment leads to the decrease of their number. Thus, this study demonstrates that irradiation increases NO production by bone marrow resident macrophages, leading to a harmful effect toward HSC. Those new data identify the resident macrophage as a promising candidate to modulate irradiation effects on HSC

Deleterious effect of bone marrow-resident macrophages on hematopoietic stem cells in response to total body irradiation

Abstract Bone marrow (BM) resident macrophages interact with a population of long-term hematopoietic stem cells (LT-HSCs) but their role on LT-HSC properties after stress is not well defined. Here, we show that a 2 Gy-total body irradiation (TBI)-mediated death of LT-HSCs is associated with increased percentages of LT-HSCs with reactive oxygen species (ROS) and of BM resident macrophages producing nitric oxide (NO), resulting in an increased percentage of LT-HSCs with endogenous cytotoxic peroxynitrites. Pharmacological or genetic depletion of BM resident macrophages impairs the radio-induced increases in the percentage of both ROS+ LT-HSCs and peroxynitrite+ LT-HSCs and results in a complete recovery of a functional pool of LT-HSCs. Finally, we show that after a 2 Gy-TBI, a specific decrease of NO production by BM resident macrophages improves the LT-HSC recovery, whereas an exogenous NO delivery decreases the LT-HSC compartment. Altogether, these results show that BM resident macrophages are involved in the response of LT-HSCs to a 2 Gy-TBI and suggest that regulation of NO production can be used to modulate some deleterious effects of a TBI on LT-HSCs