Blood contains circulating cell-free respiratory competent mitochondria.

Mitochondria are considered as the power-generating units of the cell due to their key role in energy metabolism and cell signaling. However, mitochondrial components could be found in the extracellular space, as fragments or encapsulated in vesicles. In addition, this intact organelle has been recently reported to be released by platelets exclusively in specific conditions. Here, we demonstrate for the first time, that blood preparation with resting platelets, contains whole functional mitochondria in normal physiological state. Likewise, we show, that normal and tumor cultured cells are able to secrete their mitochondria. Using serial centrifugation or filtration followed by polymerase chain reaction-based methods, and Whole Genome Sequencing, we detect extracellular full-length mitochondrial DNA in particles over 0.22 µm holding specific mitochondrial membrane proteins. We identify these particles as intact cell-free mitochondria using fluorescence-activated cell sorting analysis, fluorescence microscopy, and transmission electron microscopy. Oxygen consumption analysis revealed that these mitochondria are respiratory competent. In view of previously described mitochondrial potential in intercellular transfer, this discovery could greatly widen the scope of cell-cell communication biology. Further steps should be developed to investigate the potential role of mitochondria as a signaling organelle outside the cell and to determine whether these circulating units could be relevant for early detection and prognosis of various diseases

Développement de tests diagnostiques par détection d'ADN extracellulaire

After its discovery in 1948, circulating DNA (cirDNA) was studied in various fields. It has become an emerging biomarker, particularly in oncology, and several studies have recently sought to investigate its interest in cancer screening and early detection. The first part of my thesis was devoted to the study of the quantitative and structural characteristics of cirDNA, taking into account its origin (nuclear and mitochondrial cirDNA) and its structure (fragmentation and size profile), for the screening and early detection of cancer. Two cirDNA parameters, the Ref A 67 (total nuclear cirDNA concentration) and the MNR (Mitochondrial to Nuclear Ratio), were quantified by q-PCR in a mouse model and further validated in cell culture media to assess their potential to discriminate between a healthy and a cancerous state. These two variables were evaluated by taking into account other quantitative and structural parameters of cirDNA, after age adjustment, in the plasma of 289 healthy individuals, 99 individuals at risk of colorectal cancer (CRC) and 983 patients with CRC (n = 791), breast cancer (n = 169) and other cancers (hepatocellular, pancreatic, ovarian and lymphoma) (n = 23). Through a machine learning approach, we combined these different parameters into a prediction model using decision trees for the classification of healthy and cancer patients. We have obtained very encouraging results, especially for early-stage cancers. This method seems promising for early and non-invasive cancer detection. The addition of other biomarkers such as the size profile of the cirDNA or the detection of methylation markers could further increase its potential.The second part of my thesis was devoted to the study of the relationship between the quantity of extracellular DNA of nuclear and mitochondrial origin in the embryo culture medium, and the quality of these embryos during in vitro fertilization (IVF). It has been shown that an embryo releases extracellular DNA into the culture medium during IVF, and that this DNA could be a predictive biomarker of embryo quality and thus be used as a non-invasive preimplantation genetic test (PGT). We detected, as well, the SRY gene in the culture medium to determine the sex of the embryo, which is an important information in the case of gender-related genetic disorders. We also tried to detect the presence of the Delta F508 mutation of the CFTR gene responsible for cystic fibrosis, by analyzing extracellular DNA from high-risk embryos to assess its potential as a non-invasive PGT.Après sa découverte en 1948, l'ADN circulant (ADNcir) a été étudié dans divers domaines. Il est devenu un biomarqueur émergent, en particulier en oncologie, un domaine dans lequel plusieurs travaux ont récemment cherché à étudier son intérêt dans le dépistage et la détection précoce du cancer. La première partie de ma thèse a été consacrée à l’étude des caractéristiques quantitatives et structurelles de l’ADNcir, en prenant en compte son origine (ADNcir nucléaire et mitochondrial) et sa structure (fragmentation et profil de taille), pour le dépistage et la détection précoce du cancer. Deux paramètres, le Ref A 67 (concentration totale d’ADNcir nucléaire) et le MNR (Rapport entre la concentration de l’ADNcir mitochondrial et nucléaire), ont été quantifiés par q-PCR dans un modèle murin puis validés dans les milieux des cellules en culture pour évaluer leur potentiel à discriminer un état sain d’un état cancéreux. Ces deux paramètres ont été quantifiés chez l’Homme, en prenant en compte d'autres paramètres quantitatifs et structurels de l'ADNcir, après réajustement en fonction de l’âge, dans le plasma de 289 individus sains, 99 individus à risque de cancer colorectal (CCR) et 983 patients atteints de CCR (n = 791), de cancer du sein (n = 169) et d'autres cancers (hépatocellulaire, pancréatique, ovarien et lymphome) (n = 23). Par une approche d’apprentissage automatique, nous avons combiné ces différents paramètres dans un modèle de prédiction en utilisant des arbres de décision pour la classification des patients sains et cancéreux. Nous avons obtenu des résultats très encourageants, en particulier pour les cancers de stades précoces. Cette méthode semble prometteuse pour une détection précoce et non invasive du cancer. L'ajout d'autres biomarqueurs, comme le profil de taille ou le profil de méthylation de l'ADNcir, pourrait encore en augmenter le potentiel. La deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l’étude de la relation entre la quantité d’ADN extracellulaire d’origine nucléaire et mitochondriale dans le milieu de culture d’embryons, et la qualité de ces embryons lors d’une fécondation in vitro (FIV). En effet, il a été montré qu’un embryon libère de l’ADN extracellulaire dans le milieu de culture lors d’une FIV, et que cet ADN pourrait être un biomarqueur prédictif de la qualité de l’embryon et servir comme test génétique préimplantatoire (PGT) non invasif. Nous avons détecté le gène SRY dans le milieu de culture afin de déterminer le sexe de l’embryon, ce qui constitue une information importante dans les cas des maladies génétiques liées au sexe. Nous avons également entrepris de détecter la présence de la mutation Delta F508 du gène CFTR responsable de la mucoviscidose par analyse de l’ADN extracellulaire issu d’embryons à risque, afin d’évaluer son potentiel en tant que PGT non invasif

Development of diagnostic tests by extracellular DNA detection

Après sa découverte en 1948, l'ADN circulant (ADNcir) a été étudié dans divers domaines. Il est devenu un biomarqueur émergent, en particulier en oncologie, un domaine dans lequel plusieurs travaux ont récemment cherché à étudier son intérêt dans le dépistage et la détection précoce du cancer. La première partie de ma thèse a été consacrée à l’étude des caractéristiques quantitatives et structurelles de l’ADNcir, en prenant en compte son origine (ADNcir nucléaire et mitochondrial) et sa structure (fragmentation et profil de taille), pour le dépistage et la détection précoce du cancer. Deux paramètres, le Ref A 67 (concentration totale d’ADNcir nucléaire) et le MNR (Rapport entre la concentration de l’ADNcir mitochondrial et nucléaire), ont été quantifiés par q-PCR dans un modèle murin puis validés dans les milieux des cellules en culture pour évaluer leur potentiel à discriminer un état sain d’un état cancéreux. Ces deux paramètres ont été quantifiés chez l’Homme, en prenant en compte d'autres paramètres quantitatifs et structurels de l'ADNcir, après réajustement en fonction de l’âge, dans le plasma de 289 individus sains, 99 individus à risque de cancer colorectal (CCR) et 983 patients atteints de CCR (n = 791), de cancer du sein (n = 169) et d'autres cancers (hépatocellulaire, pancréatique, ovarien et lymphome) (n = 23). Par une approche d’apprentissage automatique, nous avons combiné ces différents paramètres dans un modèle de prédiction en utilisant des arbres de décision pour la classification des patients sains et cancéreux. Nous avons obtenu des résultats très encourageants, en particulier pour les cancers de stades précoces. Cette méthode semble prometteuse pour une détection précoce et non invasive du cancer. L'ajout d'autres biomarqueurs, comme le profil de taille ou le profil de méthylation de l'ADNcir, pourrait encore en augmenter le potentiel. La deuxième partie de ma thèse a été consacrée à l’étude de la relation entre la quantité d’ADN extracellulaire d’origine nucléaire et mitochondriale dans le milieu de culture d’embryons, et la qualité de ces embryons lors d’une fécondation in vitro (FIV). En effet, il a été montré qu’un embryon libère de l’ADN extracellulaire dans le milieu de culture lors d’une FIV, et que cet ADN pourrait être un biomarqueur prédictif de la qualité de l’embryon et servir comme test génétique préimplantatoire (PGT) non invasif. Nous avons détecté le gène SRY dans le milieu de culture afin de déterminer le sexe de l’embryon, ce qui constitue une information importante dans les cas des maladies génétiques liées au sexe. Nous avons également entrepris de détecter la présence de la mutation Delta F508 du gène CFTR responsable de la mucoviscidose par analyse de l’ADN extracellulaire issu d’embryons à risque, afin d’évaluer son potentiel en tant que PGT non invasif.After its discovery in 1948, circulating DNA (cirDNA) was studied in various fields. It has become an emerging biomarker, particularly in oncology, and several studies have recently sought to investigate its interest in cancer screening and early detection. The first part of my thesis was devoted to the study of the quantitative and structural characteristics of cirDNA, taking into account its origin (nuclear and mitochondrial cirDNA) and its structure (fragmentation and size profile), for the screening and early detection of cancer. Two cirDNA parameters, the Ref A 67 (total nuclear cirDNA concentration) and the MNR (Mitochondrial to Nuclear Ratio), were quantified by q-PCR in a mouse model and further validated in cell culture media to assess their potential to discriminate between a healthy and a cancerous state. These two variables were evaluated by taking into account other quantitative and structural parameters of cirDNA, after age adjustment, in the plasma of 289 healthy individuals, 99 individuals at risk of colorectal cancer (CRC) and 983 patients with CRC (n = 791), breast cancer (n = 169) and other cancers (hepatocellular, pancreatic, ovarian and lymphoma) (n = 23). Through a machine learning approach, we combined these different parameters into a prediction model using decision trees for the classification of healthy and cancer patients. We have obtained very encouraging results, especially for early-stage cancers. This method seems promising for early and non-invasive cancer detection. The addition of other biomarkers such as the size profile of the cirDNA or the detection of methylation markers could further increase its potential.The second part of my thesis was devoted to the study of the relationship between the quantity of extracellular DNA of nuclear and mitochondrial origin in the embryo culture medium, and the quality of these embryos during in vitro fertilization (IVF). It has been shown that an embryo releases extracellular DNA into the culture medium during IVF, and that this DNA could be a predictive biomarker of embryo quality and thus be used as a non-invasive preimplantation genetic test (PGT). We detected, as well, the SRY gene in the culture medium to determine the sex of the embryo, which is an important information in the case of gender-related genetic disorders. We also tried to detect the presence of the Delta F508 mutation of the CFTR gene responsible for cystic fibrosis, by analyzing extracellular DNA from high-risk embryos to assess its potential as a non-invasive PGT

La biopsie liquide

La biopsie liquide est apparue comme une voie prometteuse pour le dépistage du cancer. En effet, plusieurs biomarqueurs comme les ADN circulants, les cellules tumorales circulantes, les micro-ARN circulants etc. se sont révélés prometteurs pour le théragnostic ou le suivi du patient. La détection précoce peut aider à réduire la mortalité associée au cancer et augmenter la survie globale des patients. La plupart des types de cancer manquent de biomarqueurs spécifiques et le développement de techniques de dépistage efficaces appliquées en clinique a été limité malgré des efforts intenses dans ce domaine. La nature non invasive de la biopsie liquide lui donne un avantage vis-à-vis d’autres méthodes, notamment pour le développement de tests de dépistage du cancer. Les différentes études fondées sur l’analyse de la biopsie liquide dans le but de développer des tests de dépistage et de détection précoce du cancer sont présentées dans cette revue. Bien qu’actuellement aucun test développé à partir de la biopsie liquide s’avère à la fois assez spécifique et sensible pour être utilisé comme test universel de dépistage, le potentiel de cette nouvelle approche apparaît de plus en plus crédible, eu égard aux récents développements de méthodes sophistiquées, notamment multiparamétriques

New insights into structural features and optimal detection of circulating tumor DNA determined by single-strand DNA analysis

Cancer: Short tumor DNA abundant, yet missed by blood tests Around half of all tumor-derived DNA strands found in the bloodstream of cancer patients are too short for detection by the most commonly used diagnostic sequencing methods. Alain R. Thierry from the Montpellier Cancer Research Institute, France, and colleagues quantified the size distribution of circulating cell-free DNA (cfDNA) using two genomic protocols that analyze single-stranded DNA—and can thus pick up small DNA fragments that are missed by conventional double-stranded approaches. Looking in the blood of patients with tumors of the colon, lung, breast and liver, the researchers showed that nearly half of all stretches of cfDNA are shorter than 120 nucleotides long. These sequences likely result from tightly packed DNA that’s dynamically degraded into smaller and smaller fragments. The findings highlight the need for whole-genome sequencing or other single-stranded methods to get an accurate read on cfDNA profiles

Circulating nuclear DNA structural features, origins, and complete size profile revealed by fragmentomics

International audienc

Inferring ligand-receptor cellular networks from bulk and spatial transcriptomic datasets with BulkSignalR

International audienceThe study of cellular networks mediated by ligand-receptor interactions has attracted much attention recently owing to single-cell omics. However, rich collections of bulk data accompanied with clinical information exists and continue to be generated with no equivalent in single-cell so far. In parallel, spatial transcriptomic (ST) analyses represent a revolutionary tool in biology. A large number of ST projects rely on multicellular resolution, for instance the Visium™ platform, where several cells are analyzed at each location, thus producing localized bulk data. Here, we describe BulkSignalR, a R package to infer ligand-receptor networks from bulk data. BulkSignalR integrates ligand-receptor interactions with downstream pathways to estimate statistical significance. A range of visualization methods complement the statistics, including functions dedicated to spatial data. We demonstrate BulkSignalR relevance using different datasets, including new Visium liver metastasis ST data, with experimental validation of protein colocalization. A comparison with other ST packages shows the significantly higher quality of BulkSignalR inferences. BulkSignalR can be applied to any species thanks to its built-in generic ortholog mapping functionality

Blood contains circulating cell free respiratory competent mitochondria: Blood contains extracellular mitochondria

International audienceMitochondria are considered as the power-generating units of the cell due to their key role in energy metabolism and cell signaling. However, mitochondrial components could be found in the extracellular space, as fragments or encapsulated in vesicles. In addition, this intact organelle has been recently reported to be released by platelets exclusively in specific conditions. Here, we demonstrate for the first time, that blood preparation with resting platelets, contains whole functional mitochondria in normal physiological state. Likewise, we show, that normal and tumor cultured cells are able to secrete their mitochondria. Using serial centrifugation or filtration followed by polymerase chain reaction-based methods, and Whole Genome Sequencing, we detect extracellular full-length mitochondrial DNA in particles over 0.22 µm holding specific mitochondrial membrane proteins. We identify these particles as intact cell-free mitochondria using fluorescence-activated cell sorting analysis, fluorescence microscopy, and transmission electron microscopy. Oxygen consumption analysis revealed that these mitochondria are respiratory competent. In view of previously described mitochondrial potential in intercellular transfer, this discovery could greatly widen the scope of cell-cell communication biology. Further steps should be developed to investigate the potential role of mitochondria as a signaling organelle outside the cell and to determine whether these circulating units could be relevant for early detection and prognosis of various diseases