Un modèle en 3D d’adipocytes de type brun dérivés de cellules pluripotentes induites humaines pour le criblage in vitro de médicaments et pour la thérapie cellulaire contre l’obésité

Generation of 3D brown-like adipocytes derived from human iPSCs : A new tool for in vitro preclinical drug discovery and for cell-based therapy to treat obesity

• Auteur / Autrice : Xi Yao
• Direction : Christian Dani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions moléculaires et cellulaires
• Date : Soutenance le 17/10/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie Valrose (Nice) - Institut de Biologie Valrose / IBV
• Jury : Président / Présidente : Jean-Sébastien Annicotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Sébastien Annicotte, Hélène Boeuf, Soazig Le Lay
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Boeuf, Soazig Le Lay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Thérapeutique cellulaire

Obésité

Criblage pharmacologique

Adipocytes

Mots clés libres

Adipocytes de type brun

HiPSCs

3D

Co-culture

Criblage des médicaments

Thérapie cellulaire contre l'obésité

Brown-like adipocytes

HiPSCs

3D

Co-culture

Drug discovery

Anti-obesity cell therapy

Résumé

L'obésité est la conséquence d'un déséquilibre entre l'apport de calories et la dépense énergétique. Les thérapies basées sur la réduction de l'apport énergétique sont difficiles à suivre dans notre vie moderne et les médicaments anti obésité présentent d’importants effets secondaires. Des stratégies alternatives sont alors requises pour lutter contre l'obésité et les troubles métaboliques associés comme le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires. Les adipocytes bruns et de type brun, encore appelés beige ou brite (BA), stockent la graisse, mais contrairement aux adipocytes blancs, les BA sont équipés pour brûler les lipides et consommer le glucose afin de dissiper l'énergie stockée. Les BA sécrètent également des adipokines qui vont cibler d'autres organes et pour participer à la régulation des paramètres métaboliques. Ainsi, les BA représentent des cibles cellulaires prometteuses pour lutter contre l'obésité en favorisant la dépense énergétique. Cependant, la rareté des BA chez l’homme adulte, qui est accentuée chez les patients obèses, est une limitation majeure pour un traitement de l’obésité basé sur le BA. La notion d’augmenter la masse de BA en greffant des progéniteurs de BA (BAP) chez des patients obèses a récemment émergée. La preuve de concept a été faite dans des modèles murins. Le prochain défi consiste à identifier une source abondante et fiable de BAP humains. Nous décrivons dans cette thèse la capacité des cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSCs) à générer des BAP et capables de se différencier avec une grande efficacité dans un modèle en 3D en adiposphères. Les hiPSC- adiposphères ont un profil d'expression de la matrice extracellulaire et des récepteurs couplés à la protéine G (GPCR) similaires aux adiposphères humaines dérivées de progéniteurs adipeux abdominaux sous-cutanés. Ces résultats montrent la pertinence physiologique du modèle hiPSC-adiposphères. De plus, les hiPSC-adiposphères contiennent plus de cellules UCP1 positives que les adiposphères abdominales. L’expression de UCP1 dans les hiPSC-adiposphères est augmentée suite à la stimulation par le 8-CPT-AMPc ou du 8-Br-GMPc de manière aiguë et chronique. Ceci indique que notre modèle 3D présente les caractéristiques métaboliques des adipocytes de type bruns et peut répondre à un criblage de molécules visant à augmenter la dépense énergétique.Enfin, l'enrichissement du modèle 3D en cellules endothéliales humaines (HDMEC) a été réalisé via une co-culture en suspension. La fonctionnalité des HDMECs intégrées dans les hiPSC-adiposhères a été testée in vitro par la visualisation de l’absorption de LDL. Nous avons aussi montré que les hiPSC-BAs et les HDMEC pouvaient générer des structures de type vascularisées dans le core de la sphère.En conclusion, le modèle hiPSC-adiposphère représente une source illimitée d’adipocytes d’intérêt thérapeutique qui pourrait, dans un avenir proche constituer un nouvel outil approprié à la fois pour la transplantation chez les patients atteint d’obésité morbide et pour le criblage de médicaments. Le potentiel thérapeutique des hiPSC-adiposphères sera tester prochainement dans un modèle de souris obèses.

Obesity results from an imbalance between calorie intake and energy expenditure. Therapies based to reduce energy intake are difficult to follow in our modern life, and drugs can display adverse effects. Alternative strategies are urgently required to fight obesity and associated metabolic disorders. Brown and brown-like adipocytes (BAs) store fat, but in contrast to white adipocytes, BAs are equipped to burn glucose and lipids to dissipate energy stored. BAs also secrete adipokines that signal other organs and regulate metabolism. Therefore, BAs represent promising cell targets to promote energy expenditure and counteract obesity. However, the scarcity of BAs in human adults is a major limitation for a BA-based therapy of obesity, and the notion to increase the BA mass by transplanting BA progenitors (BAPs) in obese patients recently emerged. The proof of concept has been done in murin models. The next challenge is to identify an abundant and reliable source of human BAPs. We recently described the capacity of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to generate BAPs. During my thesis, we established a procedure to generate hiPSC-BAP spheroids and a method for their differentiation at a high efficiency in hiPSC-brown-like adipospheres. The model was then enriched with Human Dermal Microvascular Endothelial Cells (HDMECs) to better mimic the adipose tissue microenvironment and to improve its therapeutic potential. BAPs derived from human iPSCs were maintained in suspension to form spheroids able to different into adipospheres. The structure of adipospheres was analysed by confocal microscopy and adipocytes were characterized at the molecular and metabolic levels. We generated adipospheres from two different hiPSC-BAP clones, which are able to fully differentiate from the surface to the core. We compared hiPSC-brown-like adipospheres with the ones generated by hanging drop method, and our model displays comparable pattern regarding to extracellular matrix and adipogenesis, despite the sizes are not defined. We also proved hiPSC-brown-like adipospheres promotes accumulation of brown-like adipocytes that are more biologically active compared to cells maintained in conventional monolayer cell cultures. In addition, hiPSC-brown-like adipospheres have a similar expression profile of extracellular matrix and G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) compared with human adipospheres derived from subcutaneous abdominal adipose progenitors, suggested the physiological relevance of the hiPSC-adiposphere model. Moreover, hiPSC-adipospheres display a more brown-like adipogenic potential than abdominal adipospheres opening the opportunity and advantages for anti-obesity drug testing and cell based therapy to increase the BA mass in patients. Furthermore, hiPSC-adipospheres express UCP1 that can response to the stimulation of 8-CPT-cAMP or 8-Br-cGMP acutely and chronically, which indicated that our 3D model display metabolic characteristics of brown-like adipocytes. Finally, enrichment with HDMECs was performed via co culture in suspension. HDMECs functionality was tested in vitro by LDL-uptake. We proved that hiPSC-BAPs and HDMECs can co-culture in 3D and differentiate into vascularized hiPSC-brown-like adipospheres with functional tubular-like structure formed inside. Moreover, our co-cultured 3D model can secrete factors like VEGF and FGF2 to support vascularization which mimic in vivo situation.Altogether, the hiPSC-brown-like adipposphere model represents an unlimited source of human BAPs that in a near future may be a suitable tool for both therapeutic transplantation and for drug screening allowing discovery of novel and safe anti-obesity drugs.