Tropisme cellulaire initial du SARS-CoV-2 dans le poumon humain : du poumon entier aux sous-populations de macrophages - Virologie et Immunologie Moléculaires Access content directly
Theses Year : 2023

Initial cellular tropism of SARS-CoV-2 in the human lung : from whole lung to macrophage subpopulations

Tropisme cellulaire initial du SARS-CoV-2 dans le poumon humain : du poumon entier aux sous-populations de macrophages

Carla Gouin
  • Function : Author
  • PersonId : 1350864
  • IdRef : 275617475

Abstract

The pathogenic mechanisms of the initial phase of the SARS-CoV-2 infection remain poorly understood at the pulmonary level, despite strong research efforts since the emergence of the COVID-19 pandemics. Studies conducted with various models, including isolated human cell cultures, explants, organoids or lung-on-a-chip systems have generated conflicting results concerning the primary pulmonary targets of the virus and the induced innate immune responses.In my thesis, I evaluated an original model for studying the early stages of viral infection. This model involves the infection of a whole lung that is maintained ex vivo with a technique used in lung transplantation, allowing the study of infection under conditions that preserve spatial interactions. This technique (ex-vivo lung perfusion, EVLP) involves ventilating and perfusing lungs for several hours and has the potential to evaluate and rehabilitate marginal lungs. We conducted single-cell RNA-seq analyses and we discovered that the whole lung maintained under EVLP without the virus displayed a specific gene activation program, which we analyzed in the first part of my thesis. We found that EVLP in itself induced an inflammatory response that varied over time and across cell types. This response was accompanied by gene signatures indicating reduced signaling of cytoskeleton in alveolar type 2 epithelial cells and endothelial cells, as well as reduced cell migration and activation of lymphocytes and dendritic cells. This work reveals, for the first time, the biological responses to EVLP based on cell types that may be related to the clinical outcomes. In the second part of my thesis, we infected lungs under EVLP with different viral isolates and conducted single-cell RNA-seq analyses. These analyses revealed that alveolar macrophages (AMs) and monocyte-derived macrophages (MoMacs) are the primary targets of the virus. Epithelial cells and pulmonary monocyte subpopulations were not significantly associated with the virus. We studied the response of the monocyte/macrophage populations in vitro after dissociation of human lung tissue, flow cytometry sorting and culture with the virus. We observed specific inflammatory responses depending on cell subsets, viral strain and doses, with MoMacs being the most inflammatory. Our original work reveals the role of monocyte/macrophage subsets in the initial phases of the SARS-CoV-2 infection and suggests that the initial response of alveolar monocyte/macrophages will drive the subsequent development of lung injuries, depending on the composition in AMs and MoMacs, the viral strain and doses. In a parallel project, we investigated the effects of a method aimed at reducing the inflammation during EVLP, on porcine lung, by performing a dialysis of the perfusate to remove accumulated metabolic wastes. However, our findings showed that dialysis did not reduce inflammation; rather, it increased inflammation after 6 or 12 hours.Overall, this thesis project has demonstrated the strengths and limitations of a whole lung viral infection model maintained ex-vivo. It has highlighted the involvement of monocyte/macrophage subpopulations in the initial step of SARS-CoV-2 infection and has also contributed to a better understanding of the cellular and molecular mechanisms involved in the ex vivo lung maintenance technique, which will be useful for improving lung transplantation procedures.
Les mécanismes pathogéniques impliqués dans les phases initiales de l'infection par le SARS-CoV-2 restent mal compris au niveau pulmonaire, en dépit d'une abondante activité de recherche depuis l'émergence de la pandémie COVID-19. Des travaux conduits sur des modèles de culture de cellules humaines isolées, d'explants, d'organoïdes ou de lung-on-a-chip ont donné des résultats discordants quant aux cibles initiales pulmonaires principales du virus et à la réponse innée induite. Dans ce travail de thèse, j'ai évalué un modèle original d'étude des premières étapes de l'infection virale qui consiste à infecter un poumon humain entier maintenu vivant ex vivo selon une technique utilisée couramment en transplantation pulmonaire, permettant ainsi d'étudier l'infection dans des conditions respectant les interactions spatiales. Cette technique (perfusion pulmonaire ex vivo, PPEV) consiste à ventiler et perfuser des poumons pendant quelques heures et conduit à évaluer et réhabiliter des poumons dits marginaux. Par la technique de RNA-seq sur cellule unique, nous avons découvert que le poumon entier maintenu sous PPEV sans virus présente un programme d'activation génique particulier que nous avons exploré dans un premier volet de la thèse. Ainsi nous avons mis en évidence, que la PPEV en elle-même induit une réponse inflammatoire qui varie en fonction du temps et des types cellulaires. Cette réponse s'accompagne d'une signature génique indiquant une réduction de la signalisation du cytosquelette dans les cellules épithéliales alvéolaires de type 2 et les cellules endothéliales, ainsi qu'une réduction de la migration et de l'activation des lymphocytes et cellules dendritiques. Ce travail révèle pour la première fois la réponse biologique à la PPEV en fonction des types cellulaires, potentiellement associée à des effets sur les suites cliniques. Dans un second temps, nous avons infecté sous PPEV des poumons avec différents isolats viraux et réalisé des analyses de RNA-seq sur cellule unique qui ont révélé que les macrophages alvéolaires (AMs) et ceux dérivés des monocytes (MoMacs) sont les cibles principales du virus. Par contre, les cellules épithéliales et les sous-populations de monocytes pulmonaires ne sont pas significativement associées au virus. Nous avons étudié la réponse de différents types de monocytes/macrophages in vitro après dissociation de tissus pulmonaire humain, tri en cytométrie puis culture avec le virus. Nous avons révélé des réponses spécifiques inflammatoires en fonction des populations cellulaires, des souches virales et des doses, les cellules MoMacs étant les plus inflammatoires en réponse au virus. Ces résultats originaux mettent en évidence le rôle des macrophages à l'étape initiale de l'infection et suggèrent que leur réponse pourrait conditionner l'apparition des lésions ultérieures associées à la gravité en fonction de la composition initiale alvéolaire en sous populations de monocytes/macrophages, de la souche virale et de la dose. Dans un projet parallèle, j'ai étudié une méthode visant à réduire cette inflammation, sur poumon de porc, en procédant à une dialyse du perfusat pour éliminer les déchets métaboliques accumulés. Nous avons montré que la dialyse ne réduit pas l'inflammation, mais l'augmente plutôt, après 6 ou 12 heures.Au total, ce projet de thèse a montré les atouts et les limites d'un modèle d'infection virale de poumon entier maintenu ex vivo. Il a mis en lumière l'implication des sous-populations de monocytes/macrophages dans les premières étapes de l'infection par le SARS-CoV-2. Il a également conduit à mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la technique de maintien ex vivo du poumon, ce qui sera utile pour améliorer la conduite de la transplantation.
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Cite

Carla Gouin. Tropisme cellulaire initial du SARS-CoV-2 dans le poumon humain : du poumon entier aux sous-populations de macrophages. Immunité innée. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASL147⟩. ⟨tel-04452724⟩
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