Dynamique de polarisation des macrophages en réponse aux blessures et aux infections bactériennes chez le zebrafish

Dynamics of macrophage polarization in zebrafish during the tissue injury and infection

• Auteur / Autrice : Tamara Sipka
• Direction : Georges Lutfalla, Mai Nguyen Chi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratory of Pathogen Host Interactions (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Florence Ruggiero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Lutfalla, Mai Nguyen Chi, Florence Ruggiero, Philip Elks, Emma Colucci-Guyon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Ruggiero, Philip Elks

Mots clés

Mots clés contrôlés

Macrophages

Réponse immunitaire

Danio rerio

Macrophages

Mots clés libres

Polarisation des macrophages

Poisson-zèbre

Réponse immunitaire

Blessure

Infections

Macrophage polarization

Zebrafish

Immune response

Injury

Infection

Résumé

Les macrophages sont une population de cellules très hétérogènes qui adoptent des phénotypes différents en fonction des signaux qu’ils reçoivent. Ce processus est appelé polarisation. Pendant des décennies, les macrophages ont été classés en sous-populations en réponse à des stimuli spécifiques in vitro: les macrophages M1 sont pro-inflammatoires et bactéricides, tandis que les macrophages M2 sont anti-inflammatoires et impliqués dans la réparation tissulaire. Cependant, in vivo, les macrophages représentent un continuum d'états de polarisation. Les mécanismes permettant aux macrophages d’acquérir leur plasticité in vivo et les molécules impliquées dans ce processus sont encore largement méconnus.Mon projet de thèse vise à élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la polarisation des macrophages au cours de l’inflammation induite par une blessure et au cours des infections à Salmonella enterica serovar Typhimurium. Pour cela, j’utilise la larve de zebrafish qui est un modèle de choix pour aborder le comportement et la polarisation des macrophages in vivo grâce à sa transparence et à sa génétique. Au cours de ma thèse, nous avons suivi la polarisation des macrophages de type M1-like après une blessure du repli médian (future nageoire caudale) en utilisant une microscopie à haute résolution et des lignées transgéniques rapportrices. Grâce à ce système, nous avons défini les acteurs moléculaires impliqués dans l'activation des macrophages de type M1-like immédiatement après la blessure et montré que les signaux précoces émis par la blessure, les espèces oxygénées réactives et le calcium jouent un rôle important dans ce processus.En utilisant différentes stratégies pour suivre les macrophages individuels, nous avons démontré que les macrophages sont recrutés comme une seule vague au niveau de la blessure et subissent une série de changements de morphologie et de comportement au cours du processus de réparation des tissus, suggérant que ces changements correspondent à une conversion phénotypique de type M1 vers un phénotype de type M2. Nous avons en outre constaté qu'une voie métabolique des lipides contrôle cette conversion.Salmonella enterica Serovar Typhimurium (S. Typhimurium) est considérée comme l’une des principales causes d’intoxication alimentaire chez l’homme. Cette bactérie intracellulaire, réside principalement dans les macrophages et il a été proposé qu'elle exploite la polarisation M1/M2 afin de survivre et se répliquer dans l’hôte. Pour étudier la dynamique de la polarisation des macrophages dans un contexte infectieux in vivo, nous avons mis en place un modèle d'infection à S. Typhimurium chez les larves de zebrafish. Nous avons décrit l'interaction à long terme entre différents états de polarisation des macrophages avec S. Typhimurium, lors de l'infection persistante dans le cerveau de zebrafish. Enfin, nous avons développé une nouvelle lignée rapportrice transgénique marquant les macrophages non inflammatoires. Bien que d'autres validations soient nécessaires pour établir si cette lignée rapportrice est un outil prometteur pour visualiser les macrophages M2, nos données suggèrent que dans les stades tardifs de l'infection, S. Typhimurium réside préférentiellement dans les macrophages de type M2. Les découvertes obtenues dans le cadre de ma thèse devraient apporter de nouvelles cibles thérapeutiques pour réorienter les réponses macrophagiques dans des situations pathologiques.

Macrophages are remarkably heterogeneous and plastic cells which adapt to their changing environment by acquiring different phenotypes in response to local cues by a process called polarization. For decades, they have been classified into subpopulations in response to specific stimuli in vitro: M1 macrophages are pro-inflammatory and bactericidal, while M2 macrophages are anti-inflammatory and involved in tissue repair. However, in vivo macrophages represent a much larger array of polarization states. How macrophages acquire their plasticity in living animals and what is the molecular basis of this process are still poorly understood.Combining powerful genetics and optical clarity, the zebrafish larva is emerging as a robust model system to study leukocyte biology. Here I used zebrafish larvae to study macrophage polarization dynamics in vivo and to dissect molecular actors that control phenotype switch during wound healing and subsequent repair. During my PhD project, we followed macrophage M1-like polarization after caudal fin fold injury in real time using high resolution microscopy and transgenic zebrafish reporter lines. Thanks to this system, we defined the molecular actors enrolled in macrophage M1-like activation after injury and showed that early wound signals, reactive oxygen species and calcium play an important in driving this activation state in a neutrophil independent manner.Using different strategies to track individual macrophages, we demonstrated that macrophages are recruited as a single wave to the wound and undergo series of morphology and behavior changes during repair, suggesting that these changes correspond to a phenotypic switch from M1-like towards M2-like phenotype. We further found that a lipid metabolic pathway controls this switch.Salmonella enterica Serovar Typhimurium (S. Typhimurium) is considered to be one of the leading causes of food poisoning in humans. This intracellular bacteria resides mainly in macrophages and is thought to exploit M1/M2 polarization to survive and replicate inside the host. To study the dynamics of macrophage polarization in an infection context, we set up a S. Typhimurium infection model in the zebrafish larvae. We described the long-term interaction between different macrophage polarization states with S. Typhimurium, during the persistent infection of zebrafish brain. Finally, we have developed a novel transgenic reporter line labelling non-inflammatory macrophages. Although further validations are necessary to test whether this reporter line is promising to visualize M2-like phenotypes, our data suggest that in later stages of infection S. Typhimurium resides preferentially in M2-like macrophages. The discoveries obtained within the framework of my thesis are bringing new information about macrophage polarization dynamics in living vertebrates and unravel new mechanisms orchestrating phenotype switch.