Étude de la fonction mitochondriale des macrophages au cours de l'athérosclérose

Study of the macrophage mitochondrial function during atherosclerosis

• Auteur / Autrice : Pierre-Hadrien Becker
• Direction : Patrice Thérond, Pauline Gaignard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 04/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lipides : systèmes analytiques et biologiques (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Bonnefont-Rousselot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfried Le Goff, Vincent Procaccio
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wilfried Le Goff, Vincent Procaccio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxystérols

Stress oxydatif

Cholestérol -- Métabolisme

Macrophages

Respiration mitochondriale

Athérosclérose

Mots clés libres

Athérosclérose

Macrophage

Cholestérol

Chaine respiratoire mitochondriale

Stress oxydant mitochondrial

Oxystérols

Atherosclerosis

Macrophage

Cholesterol

Mitochondrial respiratory chain

Mitochondrial oxidative stress

Oxysterols

Résumé

L'athérosclérose est l'une des principales causes de mortalité cardiovasculaire. Elle fait suite à la pénétration et l'oxydation des lipoprotéines de faible densité (LDL) au niveau de la paroi artérielle. La captation non régulée de ces LDL oxydées par les macrophages aboutit à une accumulation de cholestérol intracellulaire et à leur transformation en cellules spumeuses. Ces évènements sont à l'origine de la constitution des plaques d'athérome.Plusieurs arguments tendent à montrer que la progression de l'athérosclérose est liée à une dysfonction mitochondriale. L'étude de plaques d'athérome humaines a permis d'observer in vivo, une réduction de la respiration mitochondriale, associée à des altérations de l'ADNmt et une diminution de l'expression des facteurs transcriptionnels régulant la biogenèse mitochondriale (PGC-1α, NRF1, TFAM). De plus, le métabolisme mitochondrial joue un rôle essentiel dans la régulation de l'homéostasie lipidique au sein des macrophages. En effet, il a été montré que l'efflux du cholestérol hors des cellules spumeuses est dépendant de la production d'ATP par la chaine respiratoire mitochondriale. D'autre part, la mitochondrie est une source essentielle d'oxystérols qui sont d'importants modulateurs de l'efflux du cholestérol.L'objectif de ce travail a donc été de caractériser la fonction mitochondriale dans les macrophages spumeux. En effet, la surcharge en cholestérol, ainsi que l'import de produits d'oxydation lipidiques suite à l'internalisation des LDL oxydées, sont susceptibles d'altérer le fonctionnement mitochondrial. Afin d'étudier ces mécanismes, nous avons utilisé des macrophages de la lignée cellulaire THP-1 qui ont été exposés, soit à des LDL acétylées afin d'obtenir une surcharge intracellulaire en cholestérol, soit à des LDL oxydées transportant à la fois du cholestérol et des produits d'oxydation lipidiques. La fonction mitochondriale a été évaluée dans ces différentes conditions par la mesure de marqueurs du métabolisme énergétique, de la phosphorylation oxydative, du stress oxydant, de la biogenèse et de la dynamique mitochondriale.Nous avons observé que l'exposition des macrophages aux LDL oxydées entraine une réduction significative de la respiration mitochondriale, des activités des complexes I et III, et de la quantité d'ADNmt, associée à un état de stress oxydant, induisant la mise en place d'un cercle vicieux conduisant à la mort cellulaire. A l'inverse, la surcharge en cholestérol induite par l'exposition aux LDL acétylées se caractérise par le maintien d'une phosphorylation oxydative efficace en dépit de la diminution des activités de certaines enzymes du cycle de Krebs : l'aconitase, l'isocitrate déshydrogénase et l'α-cétoglutarate déshydrogénase. Afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à ces altérations mitochondriales, nous avons également exposé les macrophages à différents oxystérols et analysé leurs effets sur la consommation de glucose et la production de lactate. Toutefois, nous n'avons pas observé de modifications significatives du métabolisme énergétique dans ces conditions.Ce travail met en évidence les différences phénotypiques exprimées par les macrophages afin de s'adapter à l'environnement lipidique auxquels ils sont exposés. Nous rapportons ainsi la capacité des macrophages à maintenir leur fonction énergétique malgré l'internalisation massive de cholestérol provoquée par la captation de LDL acétylées et la réduction de l'activité de plusieurs enzymes du cycle de Krebs. De ce fait, cette étude apporte de nouveaux éléments nécessaires à la compréhension des mécanismes à l'origine de la dysfonction mitochondriale observée au cours des processus d'athérosclérose. De plus, l'identification et la modulation des paramètres affectant la fonction mitochondriale dans les macrophages pourraient constituer une nouvelle cible thérapeutique de stimulation de l'efflux du cholestérol.

Atherosclerosis is a major cause of cardiovascular mortality. It occurs following the penetration and oxidation of low density lipoproteins (LDL) in the arterial wall. The unregulated uptake of these oxidized LDL by macrophages results in an accumulation of intracellular cholesterol and their transformation into foam cells. These events are at the origin of the atherosclerotic plaques.Several arguments suggest that the progression of atherosclerosis is linked to a mitochondrial dysfunction. In human atherosclerotic plaques, a reduction of mitochondrial respiration, associated with mtDNA alterations and the decreased expression of the transcriptional factors regulating mitochondrial biogenesis (PGC-1α, NRF1, TFAM) have been reported in vivo. Moreover, mitochondrial metabolism plays an essential role in the regulation of lipid homeostasis within macrophages. Indeed, it has been demonstrated that the cholesterol efflux out of the foam cells is dependent of the ATP production by the mitochondrial respiratory chain. Besides, mitochondria are an essential source of oxysterols, which are major cholesterol efflux modulators.The aim of the study was to characterize the mitochondrial function in foam cells. Indeed, the cholesterol overload, as well as the lipid oxidation products carried by the oxidized LDL, are susceptible to alter the mitochondrial function of macrophages. In order to study these mechanisms, we used macrophages from the THP-1 cell line which were exposed either to acetylated LDL, in order to obtain an intracellular cholesterol overload, or to oxidized LDL carrying both cholesterol and lipid oxidation products. Mitochondrial function was assessed in these different conditions by measuring markers of the energetic metabolism, the oxidative phosphorylation, the oxidative stress, the mitochondrial biogenesis and dynamics.We observed that the exposure of macrophages to oxidized LDL leads to a significant reduction of mitochondrial respiration, of complexes I and III activities, and of mtDNA copy number, in association with oxidative stress state, inducing the setting up of a vicious circle, leading to cell death. On the other hand, the cholesterol overload induced by exposure to acetylated LDL is characterized by the maintenance of oxidative phosphorylation efficiency despite the decreased activities of several tricarboxylic acids (TCA) cycle enzymes : aconitase, isocitrate dehydrogenase and α-ketoglutarate dehydrogenase. In order to better understand the mechanisms underlying these mitochondrial alterations, we also exposed macrophages to different oxysterols and we analyzed their effects on glucose consumption and lactate production. However, we did not observe significant changes in energy metabolism under these conditions.This work reveals the phenotypic differences expressed by macrophages according to the lipid environment to which they are exposed. Thus, we report the ability of macrophages to maintain their energetic function despite the massive internalization of cholesterol caused by exposure to acetylated LDL and the reduction of the activity of several enzymes of the TCA cycle. Therefore, this study provides new findings to understand the mechanisms causing the mitochondrial dysfunction observed during the atherosclerotic processes. Moreover, the identification and modulation of the parameters affecting the mitochondrial function in macrophages could constitute a new therapeutic target for the stimulation of cholesterol efflux.