Spaceflight-Associated Immune System Modifications

Spaceflight is an adverse environment characterized by a unique combination of stressors affecting almost all physiological systems, including the immune system. Indeed, several studies have shown that about 50% of the astronauts have faced immunological troubles. Here, we will review how spaceflight affects immune cell development, innate as well as adaptive immunity, required to ensure an efficient protection of the host, with a particular focus on T and B cells. Indeed, to better appreciate the risks associated to future long-duration space missions and to develop pharmacologic or nutritional countermeasures allowing immune system protection, it is mandatory to fully understand how these cell types are affected by space conditions. Finally, we will compare immune changes observed in astronauts with those encountered in the elderly, thereby illustrating the societal interest of space research

Towards human exploration of space: The THESEUS review series on immunology research priorities

Dysregulation of the immune system occurs during spaceflight and may represent a crew health risk during exploration missions because astronauts are challenged by many stressors. Therefore, it is crucial to understand the biology of immune modulation under spaceflight conditions in order to be able to maintain immune homeostasis under such challenges. In the framework of the THESEUS project whose aim was to develop an integrated life sciences research roadmap regarding human space exploration, experts working in the field of space immunology, and related disciplines, established a questionnaire sent to scientists around the world. From the review of collected answers, they deduced a list of key issues and provided several recommendations such as a maximal exploitation of currently available resources on Earth and in space, and to increase increments duration for some ISS crew members to 12 months or longer. These recommendations should contribute to improve our knowledge about spaceflight effects on the immune system and the development of countermeasures that, beyond astronauts, could have a societal impact

Genomic organisation of 34 kb of the human immunoglobulin lambda locus (IGLV): Restriction map and sequences of new Vλ III genes

International audienceIn order to improve our knowledge of the human immunoglobulin variable lambda locus (IGLV), we mapped one cosmid clone (designated as C40.2) isolated by screening a Colo320HSR genomic library. The 34 kb insert of the C40.2 clone was shown to contain six genes. One gene, IGLV2S1, belongs to the VλII subgroup. Four genes belong to the VλIII subgroup. Two of them, IGLV3S1 and IGLV3S2, are potentially functional whereas the two others are pseudogenes. The size of the IGLV3S2 leader intron is four times longer than the classical intron size of 110 bp. The cosmid also contains a vestigial sequence λvg2. All these genes share the same orientation of transcription. Pulsed field gel electrophoresis analysis of the IGLV locus shows that most of the Vλ I subgroup genes are located at the 5' end of the locus

Etude du système immunitaire d'un amphibien et analyse des effets de l'environnement sur sa réponse humorale

During my PhD, I have participated to the characterization of Pleurodeles waltl (urodele amphibian) antibody heavy chains and to the discovery of a new isotype that we named IgP. I have also demonstrated that each antibody heavy chain has its human counterpart. P. waltl IgM are the counterpart of human IgM. IgY are expressed in mucosa and are therefore the physiological counterpart of human IgA. Finally, IgP are predominantly expressed in larvae and are less diverse than IgM. These two characteristics are shared with antibodies produced by mammalian B1 cells. These studies allowed me to approach the effects of a long term spaceflight on the humoral immune response, i.e. the antibody mediated response, which up to now has been poorly studied. The Development and Immunogenetics team, JE 2537, has immunized adult P. waltl during their five month stay onboard the Mir space station and showed that heavy chain variable domains of specific IgM are encoded by genes belonging to the VHII and VHVI families. However, these families are used in different proportions in animals immunized onboard Mir by comparison to animals immunized on Earth. To better understand this difference, I have determined how these animals use their individual VHII and VHVI genes. My work revealed that only one VHII gene and four VHVI genes (A, B, C and D) are used by immunized animals. I observed an increase in the expression of IgM heavy chain mRNAs encoded by the VHII, VHVI.C and VHVI.D genes and a strong decrease in the expression of IgM heavy chain mRNAs encoded by the VHVI.A and VHVI.B genes in spaceflight animals, demonstrating that this environment affects the humoral response. These observations may be due to a change in B-cell selection under spaceflight conditions. Furthermore, I described for the first time the effects of spaceflight on somatic hypermutations. I isolated and characterized the P. waltl mRNA coding for the main effector of these mutations: the activation-induced cytidine deaminase (AID). I demonstrated that this protein is present and conserved in P. waltl. Then, I described somatic hypermutations in P. waltl. I mapped somatic hypermutations, studied their distribution and calculated their frequency in animals immunized on Earth and in animals immunized onboard the Mir space station. This work revealed a strong depression of somatic hypermutations in animals immunized onboard Mir. This observation does not result from a change in AID transcription. We believe that this may be the consequence of a lower B lymphocyte survival under spaceflight conditions.Durant ma thèse, j'ai participé à la caractérisation des isotypes de chaînes lourdes d'anticorps chez le pleurodèle (Pleurodeles waltl, amphibien urodèle) et à la mise en évidence d'un nouvel isotype d'anticorps : les IgP. J'ai également montré que chaque chaîne lourde a son équivalent humain. Les IgM du pleurodèle sont l'équivalent des IgM humaines. Les IgY sont exprimées principalement au niveau des muqueuses tout comme les IgA humaines. Enfin, les IgP sont observées majoritairement chez les larves et ont une diversité plus faible que les IgM. Ces deux caractéristiques sont partagées avec les anticorps produits par les cellules B1. Ces travaux m'ont ensuite permis d'aborder l'impact d'un séjour de longue durée dans l'espace sur la réponse immunitaire humorale, c'est-à-dire la réponse médiée par les anticorps qui, jusqu'à présent, a été très peu étudiée. L'équipe Développement et Immunogénétique, JE 2537, a immunisé des pleurodèles lors d'un séjour de 5 mois à bord de la station spatiale Mir et a montré que les chaînes lourdes d'IgM produites en réponse à la stimulation antigénique sont fabriquées à partir de gènes des familles VHII et VHVI. Cependant ces familles sont utilisées dans des proportions différentes chez les animaux immunisés dans Mir. Mes travaux ont permis d'approfondir ces résultats par une étude des gènes VHII et VHVI utilisés dans ces chaînes lourdes. J'ai ainsi montré qu'un seul gène VHII et quatre gènes VHVI (A, B, C et D) sont utilisés par les animaux immunisés. Les gènes VHII, VHVI.C et VHVI.D sont plus exprimés chez les animaux immunisés dans Mir alors que l'expression des gènes VHVI.A et VHVI.B est fortement diminuée chez ces mêmes animaux. Ces résultats démontrent clairement que le séjour dans Mir a affecté la réponse immunitaire humorale de ces animaux. Ces observations pourraient résulter d'un changement de la distribution et de sélection des lymphocytes B dans l'espace. Par ailleurs, j'ai décrit pour la première fois les effets d'un séjour dans l'espace sur les hypermutations somatiques. Avant d'étudier ce phénomène, j'ai isolé et caractérisé chez le pleurodèle l'ARNm codant l'effecteur indispensable pour ces mutations : la protéine AID (activation-induced cytidine deaminase). J'ai ainsi montré que cette protéine est bien présente et conservée dans cette espèce. J'ai ensuite mis en évidence et caractérisé pour la première fois le phénomène des hypermutations somatiques chez le pleurodèle. Pour cela, j'ai étudié les profils des mutations observées, cartographié ces dernières et calculé leur fréquence. Ces différents critères ont été comparés entre les animaux immunisés sur Terre et les animaux immunisés à bord de la station Mir. Ainsi, j'ai pu montrer que la fréquence des hypermutations somatiques est diminuée chez les pleurodèles immunisés dans Mir. Cette diminution n'est pas due à un changement de la transcription d'AID mais pourrait être due à une diminution de la survie des lymphocytes B dans l'espace.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Modifications de l'immunité humorale induites par des changements de la gravité

Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'impact des stress associés aux vols spatiaux sur l'immunité humorale du pleurodèle et de la souris. Chez le pleurodèle adulte, j'ai d'abord étudié l'utilisation des gènes VH lors de la synthèse des chaînes lourdes d'anticorps suite à une immunisation pendant 5 mois à bord de Mir (expérience Genesis en 1999). J'ai ensuite étudié le processus de maturation de l'affinité des anticorps chez ces mêmes animaux. Ce processus s'effectue par l'apparition d'hypermutations somatiques dans les segments variables des gènes d'anticorps. Ces travaux ont permis de montrer que les segments VH sont utilisés différemment sur Terre et dans Mir et que la fréquence des hypermutations est diminuée suite au vol. Ensuite, j'ai étudié l'impact des stress rencontrés lors d'un autre vol spatial sur la synthèse des premiers anticorps (IgM) chez le pleurodèle en développement (expérience AMPHIBODY en 2006). Le taux d'IgM étant modifié suite à cette expérience, nous avons recréé sur Terre chacun des stress rencontrés en vol (microgravité, hypergravité, choc thermique, radiations, perturbation du rythme circadien et confinement) afin de connaître le(s) stress responsable(s) de cette modification. Ainsi, seule la gravité modifiée affecte l'expression des IgM. Enfin, j'ai étudié l'impact de l'hypergravité (2G et 3G) sur la réponse au stress et le système immunitaire de la souris. Nous avons mis en évidence une réponse physiologique et comportementale au stress à 3G mais pas à 2G. Pourtant, des modifications du système immunitaire sont constatées dès 2G. Cela montre qu'une modification de la gravité, associée ou non à une réponse au stress, affecte le système immunitaireDuring my PhD, I studied the impact of spaceflight-associated stresses on Pleurodeles waltl and Mus musculus humoral immunity. In adult P. waltl immunized during 5 months onboard the Mir space station (Genesis experiment in 1999), I first determined how individual VH genes are used. Then, I studied antibodies affinity maturation in these animals. This maturation implies the introduction of somatic hypermutations (SHM) in DNA encoding the variable segments of antibodies genes. These two pieces of work have shown that variable segments of heavy chain gene are differently used and that SHM frequency is reduced when immunization occurs in space. Then, I studied antibodies production during animal development onboard the international space station (ISS) (AMPHIBODY experiment in 2006). The antibodies production being increased in larvae that developed in the ISS, we recreated in the laboratory each stress encountered during the spaceflight (hypergravity, microgravity, heat shock associated to the re-entry in the atmosphere, radiations, perturbation of circadian rhythm and confinement) to determine their impact on IgM heavy chain transcription. This allowed to observe that only gravity changes affect this transcription. Finally, I studied the impact of hypergravity (2G and 3G) on the murine immune system. I observed physiological and behavioural stress responses in mice exposed to 3G but not in 2G mice. However, immune system alterations were observed in both the 2G and 3G groups, suggesting that gravity modifications, associated or not with stress responses, are responsible for immune system modificationsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Pharmacological countermeasures to spaceflight-induced alterations of the immune system

Opportunities for microbes to establish infections are enhanced under spaceflight conditions because space travel stimulates their growth (Chap. 15) and has a negative impact on immune functions. Indeed, it has been shown that spaceflight affects lymphoid organs (Gridley et al. 2003; Baqai et al. 2009) and induces variations in peripheral blood leukocyte subsets (Chap. 9). Neutrophil, monocyte, and NK cell functions are affected by spaceflight (Chaps. 10-12). The activation of T lymphocytes is also severely depressed under low gravity conditions (Cogoli et al. 1984) because interleukin-2 (IL-2) and IL-2receptor gene expression are modified, the delivery of the costimulatory signal to activate the B7/CD28 pathway and the protein kinase A (PKA) signaling pathway, which is a key early regulator in T cell activation, are hindered. Furthermore, a TH2 cytokine shift is associated with spaceflight. If this TH2 shift persists during long missions, it could represent a significant clinical risk for TH2-related autoimmune diseases, allergies, hypersensitivities, and disease susceptibility related to diminished cell-mediated immunity. Studies on plasma antibody levels did not reveal significant changes after short spaceflights (Rykova et al. 2008), but contradictory results were reported after long missions. Indeed, several studies (Konstantinova et al. 1993; Bascove et al. 2008, 2009; Guéguinou et al. 2009, 2010) reported increased levels of immunoglobulin while Rykova et al. (2008) reported normal amounts of antibodies after prolonged space missions. Lastly, a differential sensitivity of cellular and humoral immunity to spaceflight conditions seems to exist because it was shown that the cellular, but not the humoral, systems are affected by short periods of flight. © 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. All rights are reserved

Étude de l'immunité intestinale de la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) et perspectives de modulation par des additifs alimentaires (approches cellulaires et moléculaires)

L'impact de la nutrition sur l'immunité intestinale de la truite arc-en-ciel est encore mal connu. C'est pourquoi cette thèse avait pour objectifs de mieux caractériser son système immunitaire intestinal et d'évaluer les possibilités de modulation de la réponse immune intestinale par l'ajout de nucléotides libres dans son alimentation. Nos résultats indiquent que les phagocytes intestinaux présentent une activité de phagocytose plus faible que ceux du rein antérieur. La cytotoxicité naturelle mesurée au niveau intestinal est deux fois plus élevée que celle du rein antérieur et cette observation est corrélée à une augmentation du transcrit codant NKEF (Natural Killer Enhancement Factor). Nous avons également montré que les lymphocytes intestinaux ne répondent pas à une stimulation mitogénique in vitro et que ceci n'est pas due à l'apoptose des cellules. Une forte expression des transcrits codant CD8a et CD3 a été détectée dans les leucocytes intestinaux, ce qui suggère une importante proportion de lymphocytes T exprimant la forme homodimérique aa de CD8 dans ce tissu. Enfin, nous avons montré que l'ajout de nucléotides libres à l'alimentation de truites saines stimule la prolifération spontanée ainsi que la phagocytose des leucocytes intestinaux in vitro. Par contre, aucune modulation de la cytotoxicité naturelle ou de l'expression des transcrits codant les marqueurs spécifiques des lymphocytes T et B et les cytokines inflammatoires n'a été observée. Il serait à présent intéressant de renouveler ces essais en utilisant des poissons infectés afin de pouvoir observer l'effet des nucléotides sur la réponse inflammatoire et sur la réponse spécifiqueThe impact of nutrition on rainbow trout intestinal immunity, a farmed fish with high economic value, remains unclear. Consequently, the objectives of this thesis were to better characterize the intestinal immune system of that fish and to determine if it is possible to modulate its intestinal immune response by dietary free nucleotides. Our results show that intestinal phagocytes are less activated by yeast cells but when they are activated they can ingest as many yeast cells as their head kidney (HK) counterparts. We noted that the natural cytotoxic activity of intestinal leukocytes is twice higher than the one of HK leukocytes. This natural cytotoxic activity is correlated with an increase of transcripts encoding the natural killer enhancement factor (NKEF). Intestinal leukocytes did not respond to an in vitro mitogenic stimulation. This lack of response is not due to apoptosis. We also observed a high expression of CD8a and CD3 transcripts in gut leukocytes, suggesting that the intestine could contain a high proportion of T cells expressing the aa homodimeric form of CD8. Finally, we observed that dietary free nucleotides stimulate the spontaneous proliferation and the phagocytic activity of intestinal leucocytes in vitro. However, they did not modulate natural cytotoxicity activity nor did they affect the amounts of transcripts encoding specific markers of T and B lymphocytes and inflammatory cytokines. In the future, it will be interesting to repeat these experiments using infected fish in order to study the effect of nucleotides on the inflammatory and specific immune responsesMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF