Réponse clinique aux modulateurs de la protéine CFTR, des mécanismes d'action aux biomarqueurs

Clinical responses to CFTR protein modulators, from mechanisms of action to biomarkers

• Auteur / Autrice : Agathe Lepissier
• Direction : Isabelle Sermet-Gaudelus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et physiopathologie
• Date : Soutenance le 29/06/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Necker Enfants-Malades (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Fajac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Fajac, Christophe Marguet, Mario Ollero, Geneviève Héry-Arnaud, Rabindra Tirouvanziam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Marguet, Mario Ollero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéine CFTR

Échange d'ions

Mucoviscidose

Marqueurs biologiques

Mots clés libres

Mucoviscidose

CFTR

Transports ioniques

Inflammation

Infection

Biomarqueurs

Cystic fibrosis

CFTR

Ion transport

Inflammation

Infection

CFTR modulators

Biomarkers

Résumé

La mucoviscidose est une maladie autosomique récessive liée aux mutations du gène CFTR. Ce dernier code pour une protéine du même nom, un canal anionique qui secrète principalement des ions chlorure (Cl-) et bicarbonate (HCO3-) et est exprimé notamment au pôle apical des cellules épithéliales respiratoires et participe à la régulation de l'homéostasie du liquide de surface bronchique (ASL). Les altérations de CFTR dans la mucoviscidose sont à l'origine de défauts de transports ioniques qui engendrent un déséquilibre de la lumière pulmonaire. Ils se traduisent en clinique par une bronchopathie chronique surinfectée avec inflammation excessive. Pendant longtemps, la prise en charge de la mucoviscidose reposait principalement sur une prise en charge symptomatique. En 2012, les premiers traitements ciblant les défauts de CFTR ont été accessibles pour certains patients, les modulateurs de CFTR. Il s'agit de la combinaison de plusieurs molécules chimiques, dont la dernière a été rendue accessible en 2019. Ces traitements ont été développés par études à haut débit, selon leur capacité à restaurer le transport de Cl- médié par CFTR. D'autres mécanismes, bénéfiques pour le patient, peuvent également entrer en jeu. L'objectif de ce travail a été d'identifier in vitro les mécanismes impliqués dans la réponse aux modulateurs de CFTR et d'identifier cette réponse in vivo, après identification de biomarqueurs pertinents de la physiopathologie pulmonaire et de la réponse au traitement. Afin de reproduire au mieux les conditions physiologiques, les expériences ont été menées sur cellules épithéliales respiratoires primaires. L'étude des effets des modulateurs de CFTR in vitro a été réalisée selon deux axes : le premier s'est intéressé aux transports ioniques et à leur effet sur le pH de l'ASL. Il a nécessité la mise en place d'expériences d'électrophysiologie en courant de court-circuit et de mesure de pH en atmosphère contrôlée. Cela a permis de mettre en évidence un effet des modulateurs de CFTR sur la correction du transport de HCO3- médié par CFTR en conditions basales et inflammatoires ainsi que l'alcalinisation du ph de l'ASL. Le second concerne l'étude de l'infection par Staphylococcus aureus du modèle de cellules épithéliales respiratoires primaires. Cette étude a montré une altération de la croissance bactérienne sur cellules incubées avec ces molécules, sans que le mécanisme précis n'ait été démontré. L'étude de l'effet des modulateurs de CFTR in vivo a nécessité l'identification préalable de biomarqueurs de l'inflammation pulmonaire pertinents. Ce travail a été mené par revue exhaustive de la littérature conduite en collaboration et qui a donné lieu à rédaction de recommandation quant à leur utilisation en recherche clinique et translationnelle. Ces biomarqueurs ont été analysés pour décrire l'effet des modulateurs in vivo sur l'inflammation pulmonaire dans une cohorte pédiatrique. Ils ont permis de montrer une diminution significative de la neutrophile élastase pulmonaire après un mois de traitement. L'ensemble de ces travaux met en lumière les effets des modulateurs de CFTR in vitro et in vivo, effets qui ne sont pas seulement liés à la correction du transport de chlorure par CFTR et sont bénéfiques pour le patient. Une meilleure compréhension de l'ensemble de ces mécanismes pourra à terme permettre de développer ou réorienter des traitements ciblés, quelles que soient des mutations de CFTR.

Cystic fibrosis (CF) is an autosomal recessive disorder. It results from mutations in the CFTR gene. It encodes for a protein CFTR: an anion channel that secretes mainly chloride (Cl-) and bicarbonate (HCO3-) ions. CFTR is expressed at the apical side of respiratory epithelial cells and is involved in the airway surface liquid (ASL) homeostasis. In CF, CFTR is malfunctioning leading to abnormalities in the ion transport and ASL. In the patient, it results in a chronic lung disease with chronic infection and excessive inflammation. Since recently, CF treatment relied on symptomatic management. In 2012, the first treatments targeting CFTR defects became available for some patients: CFTR modulators. These are a combination of several chemical molecules. The most recent became available in 2019. Although those drugs have been developed through high throughput studies based on their ability to restore CFTR-mediated Cl- transport. Other mechanisms, beneficial to the patient, may also be involved. This work aims to identify in vitro mechanisms involved in the response to CFTR modulators and in vivo response through monitoring relevant biomarkers of pulmonary pathophysiology during treatment. To be as close as possible to physiology, in vitro experiments were performed on primary respiratory epithelial cells grown in an air/liquid interface. We assessed CFTR modulators effects on ion transport and Staphyloccocus aureus (Sa) infection. It required electrophysiology experiments, short-circuit currents in Ussing chambers, and ASL pH measures in controlled atmosphere. We showed a CFTR-mediated bicarbonate transport correction and an ASL pH alkalinization in basal and inflammatory condition. About infection, we observed an alteration of Sa growth in the treated cells ASL without demonstration of any precise mechanism involved. The in vivo study of CFTR modulators effects required prior identification of pulmonary inflammation relevant biomarkers. This was done through a comprehensive collaborative literature review which resulted in recommendations for their use in clinical and translational research. These biomarkers were analyzed to describe CFTR modulators in vivo effects on pulmonary inflammation in a pediatric cohort. They showed a significant decrease in pulmonary neutrophil elastase after one month of treatment. Taken together, these results highlight CFTR modulators effects in vitro and in vivo, effects that are not only related to the CFTR-mediated chloride transport correction and are beneficial for the patient. A better understanding of all these mechanisms may eventually allow development or reorientation of targeted treatments, regardless of CFTR mutations.