Physiopathologie de l’asthme sévère de l’enfant d’âge préscolaire : impact du remodelage bronchique et mécanismes impliqués dans le remodelage du muscle lisse bronchique

Pathophysiology of preschool severe asthma : impact of bronchial remodeling and mechanisms involved in bronchial smooth muscle remodelling

• Auteur / Autrice : Fabien Beaufils
• Direction : Patrick Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• 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 : Centre de recherche cardio-thoracique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Pierre Burbaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lisa Giovannini-Chami, Delphine Gras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Chenuel, Christophe Delacourt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Prolifération

Muscles lisses

Autophagie

Mitochondries

Chez l'enfant

Asthme

Mots clés libres

Asthme

Mitochondrie

Mitophagie

Prolifération

Muscle lisse

Remodelage

Asthma

Mitochondria

Mitophagy

Proliferation

Remodelling

Smooth muscle

Résumé

L'asthme est la maladie chronique la plus fréquente chez l’enfant. Les enfants d'âge préscolaire (<6 ans) souffrant d'asthme constituent une population hétérogène. Pour la catégoriser, des études précédentes ont identifié plusieurs phénotypes d’enfants atteints d’asthme préscolaire en utilisant des paramètres cliniques, biologiques ou fonctionnels. L’asthme est caractérisé par une obstruction bronchique variable et un épaississement de la paroi bronchique. Cet épaississement de la paroi bronchique est lié à l'inflammation bronchique et au remodelage bronchique. Ce dernier inclut des lésions épithéliales, un épaississement de la membrane basale réticulaire (RBM), une néoangiogenèse, une augmentation de la masse des glandes à mucus, de la fibrose et de la masse du muscle lisse bronchique (MLB). Ces paramètres de remodelage bronchique n’ont jamais été utilisés pour classifier les enfants asthmatiques. L'augmentation de la masse du MLB semble jouer un rôle clé dans l'asthme. En effet, elle est associée à une altération de la fonction respiratoire chez l'adulte et l'enfant, et à un risque accru d'exacerbation chez l'adulte. De plus, chez les enfants préscolaires, la masse du MLB est prédictive de la persistance de l'asthme à l'âge scolaire (>6 ans). Dans l'asthme de l'adulte, l'augmentation de masse du MLB est liée à une prolifération ex vivo et in vitro accrue des cellules musculaires lisses bronchiques (CMLB) liée à une homéostasie calcique altérée, qui, à son tour, augmente la biogenèse et la masse mitochondriales. Les mécanismes responsables du remodelage du MLB restent cependant totalement inconnu chez l’enfant asthmatique préscolaire.Nos objectifs étaient i) de déterminer de nouvelles classes d’asthmatiques sévères d’âge préscolaire en fonction des paramètres de remodelage bronchique et ii) d’identifier les mécanismes impliqués dans le remodelage du MLB chez ces enfants avec une attention particulière sur le rôle des mitochondries. De biopsies bronchiques ont été réalisées chez des enfants asthmatiques sévères d’âge préscolaire et des témoins (étude P'tit ASTHME, NCT02806466). Les paramètres du remodelage bronchique ont été évalués par immunohistochimie et inclus dans des analyses en classes latentes. La prolifération des CMLB a été évaluée ex vivo. Des cultures primaires de CMLB ont été établies. Nous avons évalué, in vitro, leur prolifération, leur contenu en ATP, leur respiration mitochondriale, masse mitochondriale et biogenèse mitochondriale et la signalisation calcique. Nous avons également étudié la dynamique mitochondriale de fission et de fusion ainsi que la mitophagie. En utilisant des analyses en classes latentes basées sur le remodelage bronchique, nous avons identifié parmi les asthmatiques sévères, 2 classes latentes distinctes. Les patients de la classe 1 présentaient un épaississement accru de la RBM, une augmentation de la néoangiogenèse et de la masse du MLB ainsi qu’un risque accru d'exacerbation comparés à ceux de la classe 2. Les asthmatiques sévères présentaient une augmentation de la masse du MLB, et leur CMLB présentaient une augmentation de la prolifération, de la respiration, de la réponse calcique, de la biogenèse et de la masse mitochondriale par rapport aux témoins (n=12). De plus, la masse du MLB était corrélée au nombre d'exacerbations et prédictive de la persistance de l'asthme à l'âge scolaire. De plus, les asthmatiques ayant la masse de MLB la plus élevée avaient une prolifération cellulaire et une masse mitochondriale de BSM plus importantes. Cette dernière n'était pas liée à une biogenèse mitochondriale accrue mais à une diminution de la fission mitochondriale médiée par DRP1 conduisant à une diminution de la mitophagie dépendante de PINK1. La mitophagie et la fission mitochondriale pourraient donc représenter de nouvelles cibles pour le remodelage du BSM, qui caractérise les asthmatiques sévères sujets aux exacerbations.

Asthma is the most frequent chronic disease in children. Preschool children (<6 years old) with asthma (i.e., preschool wheezers) are a heterogeneous population according to their clinical, biological and functional characteristics. Asthma is characterized by a variable airflow obstruction and increased bronchial wall thickness. This thickening of the bronchial wall is related to bronchial inflammation and bronchial remodeling. Bronchial remodeling is considered as an abnormal repair process that can affect all components of the bronchial wall including epithelial injury, reticular basement membrane (RBM) thickening, neoangiogenesis, and increased mucus gland mass, fibrosis, and bronchial smooth muscle (BSM) mass. These bronchial remodeling parameters have never been used to identify subgroups of asthmatic children. The increase in the BSM mass appeared to play a key role in asthma. Indeed, the increased BSM mass was associated with low lung function in both adults and children, and with increased risk of exacerbation in adults. Moreover, the increased BSM mass in preschool children is predictive to asthma persistence at school age (>6 years old). In adult asthma, the increased BSM mass has been linked in vitro and ex vivo to an increased BSM cell proliferation. This increased proliferation was related to an altered calcium homeostasis, which, in turn, enhanced both mitochondrial biogenesis and mass. However, the mechanisms responsible for BSM remodeling and the role of mitochondria, in the specific situation of preschool wheezing children, remain totally unknown.We aimed i) to determine new classes of severe preschool wheezers based on bronchial remodeling parameters and ii) to identify the mechanisms involved in BSM remodeling in severe preschool wheezers with a special attention on the role of mitochondria.Bronchial remodeling parameters have been assessed by immunochemistry on bronchial biopsies performed in severe preschool wheezers and controls (P’tit ASTHME study, NCT02806466). All these parameters were implemented in latent class analyses to define new groups of patients based on bronchial remodeling. BSM cell proliferation was also assessed ex vivo by immunochemistery and PCNA and Ki67 stainings. In addition, we also established primary BSM cell cultures and assessed in vitro, BSM cell proliferation, ATP content, mitochondrial respiration, mitochondrial mass, mitochondrial biogenesis and calcium signaling. We also investigated mitochondrial dynamic processes of fission and fusion as well as mitophagy.Using bronchial remodeling-based latent class analyses, we identified among severe preschool wheezers, 2 distinct latent classes. Preschool wheezers from Class 1 had an increased RBM thickening, neoangiogenesis and BSM mass and were at high risk of exacerbation compared to those from Class 2. In addition, we identified that severe wheezers had an increased BSM mass, BSM cell proliferation, mitochondrial respiration, biogenesis, and mass enhanced by alteration in calcium homeostasis compared to controls. Moreover, BSM mass was correlated with the number of exacerbations and predictive of exacerbation-prone asthma (> 2 asthma exacerbations per year) and to asthma persistence at school age. We also demonstrated that a subgroup of wheezers with high BSM mass had an increased BSM cell proliferation and mitochondrial mass in vitro compared to those with low BSM mass. This latter was not related to an increased mitochondrial biogenesis but to a decreased DRP1-mediated mitochondrial fission leading to a decreased PINK1-dependent mitophagy. Mitophagy and mitochondrial fission may therefore represent new targets for the BSM remodeling, which characterizes exacerbation-prone preschool wheezers.