L'effet de la disponibilité de l'oxygène et du glucose sur la viabilité, le métabolisme et l'activation des neutrophiles humains

Impact of oxygen and glucose differential availability on human neutrophil viability, metabolism and activation

• Auteur / Autrice : Louise Injarabian
• Direction : Stéphane Ransac, Benoît Marteyn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biochimie et génétique cellulaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Blanco
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Ransac, Benoît Marteyn, Patrick Blanco, Fabrizia Stavru, Jonathan Jantsch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrizia Stavru, Jonathan Jantsch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Leucocytes

Glucose

Métabolisme

Oxygène

Neutrophiles

Mots clés libres

Mitochondrie

Neutrophiles

Oxygene

Métabolisme

Glucose

Activation

Mitochondria

Neutrophils

Oxygen

Metabolism

Glucose

Activation

Résumé

Les neutrophiles sont les leucocytes les plus abondants dans la circulation sanguine et jouent un rôle clé dans l’immunité innée contre les agents pathogènes, en particulier les bactéries.Dans des conditions homéostatiques, les neutrophiles résident dans la moelle osseuse, où ils sont produits, et dans la fraction plasmatique du sang. Ces deux compartiments sont connus pour contenir de faibles quantités d'oxygène disponible (4 % et 1,2 % O2).En outre, les neutrophiles sont considérés comme des cellules hautement glycolytiques, ayant un faible nombre de mitochondries et produisant la majeure partie de leur énergie à partir du glucose présent dans le milieu extracellulaire. Lors d'une inflammation/infection, les neutrophiles migrent dans des tissus plus oxygénés (<10% O2), avant leur arrivée sur les sites d'inflammation, souvent décrits comme hypoxiques (<2% O2). Par conséquent, les neutrophiles présents sur les sites d'inflammation ont rencontré une disponibilité différentielle de l'oxygène.De plus, outre les variations de l'oxygène, la disponibilité d'autres métabolites fluctue également tout au long de leur migration vers les sites d'inflammation, l'un de ces métabolites étant le glucose. Bien que les neutrophiles soient considérés comme des cellules différenciées, des rapports récents ont mis en évidence la plasticité des neutrophiles pour ajuster leur métabolisme en fonction de l’environnement, de la même manière que les macrophages, qui peuvent avoir un phénotype glycolytique (M1) ou oxydatif (M2).Ces découvertes ont conduit à reconsidérer le rôle des mitochondries dans les neutrophiles, autrefois considérées comme importantes uniquement dans l'induction de la mort cellulaire (apoptose).Cependant, l'impact de la disponibilité différentielle de l'oxygène et du glucose sur l'activation des neutrophiles et le métabolisme énergétique reste encore à déterminer. Par ailleurs, le rôle des mitochondries dans l'activation des neutrophiles et les fonctions antimicrobiennes n'est pas entièrement compris.En utilisant des échantillons de côlon de cobaye infecté à la bactérie Shigella, nous avons pu établir qu'en plus de l'oxygène, le glucose est également absent dans les tissus infectés contenant un nombre élevé de neutrophiles. Grâce à des essais in vitro supplémentaires sur les neutrophiles humains périphériques, nous avons pu étudier l'impact de la disponibilité différentielle de l'oxygène et du glucose sur l'activation et les fonctions des neutrophiles.Nos résultats ont révélé qu'une exposition prolongée à l'oxygène accélère la mort et l'activation des neutrophiles.D'une part, nos découvertes ont démontré que le glucose a un impact inhibiteur direct sur la capacité de travail maximale de la fonctionnalité de la chaîne respiratoire mitochondriale des neutrophiles humains. D’autre part, la privation de glucose à court terme en cas d'anoxie a réduit le potentiel de membrane mitochondriale, restauré grâce à l'ajout de glucose, indiquant que le glucose joue un rôle important dans le maintien de la fonctionnalité des mitochondries des neutrophiles dans des environnements à faible teneur en oxygène.Avec l'analyse de l'expression génétique, les tests fonctionnels mitochondriales et les tests des capacités antimicrobiens, nous avons pu établir que la disponibilité de l'oxygène et du glucose a un impact important sur le phénotype et la fonctionnalité des neutrophiles.

Neutrophils are the most abundant leukocytes in the circulation and are key players of the innate immune response against pathogens, especially bacteria. Under homeostatic conditions, neutrophils reside in the bone marrow where they are produced, circulate in the plasma fraction of the blood. Both compartments are known to contain low amounts of available oxygen (<4% and <1.2% O2 respectively). Moreover, neutrophils are considered highly glycolytic cells, having a low number of mitochondria and producing most of their energy from glucose uptake from the environment. During inflammation/infection, neutrophils migrate into more oxygenated tissues (<10%) to reach inflammatory sites, often described as hypoxic (<2% O2). Hence, neutrophils present in inflammatory sites have encountered various levels of oxygen. Moreover, besides oxygen variations, other metabolite availability also fluctuates throughout their migration into inflammation sites, one of these metabolites being glucose. Although neutrophils are considered terminally differentiated cells, recent reports have highlighted the plasticity of neutrophils to tune their metabolism according to the surrounding environment similarly to macrophages, which can have either a glycolytic (M1) or an oxidative (M2) phenotype. These discoveries have led to a reconsideration of the role of mitochondria in neutrophils, formerly considered important only for cell death (apoptosis) induction. However, how differential oxygen and glucose availability impact neutrophil activation and energy metabolism still remains elusive. Furthermore, the role of mitochondria during neutrophil activation and anti-microbial functions is not fully understood.Using our model of Shigella infection of the guinea pig’s colon we demonstrated that besides oxygen, glucose is also depleted in infected tissues, containing high numbers of neutrophils. With additional in vitro assays performed on human peripheral neutrophils, we revealed that prolonged oxygen exposure promotes neutrophil cell death and activation. On the other hand, we demonstrated that glucose has a direct inhibitory impact on the neutrophil mitochondrial electron transport chain maximal work capacity and functionality. Moreover, short-term glucose starvation in anoxia lowered the mitochondrial membrane potential, which was restored with glucose supplementation, indicating that glucose has an important role in the maintenance of the functionality of mitochondria in neutrophils in low oxygen environments. Together with gene expression analysis, mitochondrial functionality assays and anti-microbial assays, we demonstrated that the availability of both oxygen and glucose greatly impact the phenotype and functionality of neutrophils.