Complications cardiovasculaires des élastinopathies : caractérisation d’un nouveau modèle expérimental et évaluation d’une stratégie thérapeutique innovante

Cardiovascular complications in elastinopathies : development of a new experimental model and an innovative therapeutic strategy

• Auteur / Autrice : Marie Hoareau
• Direction : Romain Debret, Stéphane Avril, Elise Lambert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 30/05/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biologie tissulaire et d'ingénierie thérapeutique (Lyon ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Germain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Olivier Angrand, Sylvie Brassart-Pasco, Élise Belaidi, Anne Briançon-Marjollet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Germain, Pierre-Olivier Angrand, Sylvie Brassart-Pasco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Elastinopathie

Maladies

Tissu élastique (histologie)

Appareil cardiovasculaire -- Exploration fonctionnelle

Élastine

Mots clés libres

Élastine

Élastinopathies

Elastin-Like recombinamer

Complications cardiovasculaires

Poisson-Zèbre

Elastin

Elastinopathies

Elastin-Like recombinamer

Cardiovascular complications

Zebrafish

Résumé

L’élasticité est une propriété nécessaire au bon fonctionnement de nombreux tissus et particulièrement des grandes artères telles que l’aorte. Les fibres élastiques, composées principalement d’élastine et de fibrilline, sont en grande partie responsables de fournir cette élasticité. Les déficiences en élastine engendrent des maladies telles que le syndrome de Williams Beuren, les sténoses aortiques supravalvulaires, et la cutis laxa autosomique dominante. Ces maladies génétiques, appelées élastinopathies, sont associées à de nombreuses complications cardiovasculaires. Il n’existe aujourd’hui aucun traitement capable de prévenir, réduire ou réparer les défauts des fibres élastiques de manière satisfaisante à l’âge adulte. Il est donc nécessaire de trouver des solutions thérapeutiques pour alléger les conséquences du manque d’élastine, particulièrement celles qui touchent le système cardiovasculaire. Ce travail de thèse a été divisé en deux grands axes, chacun apportant une alternative dans le contexte de la recherche actuelle. Premièrement, nous avons entrepris de caractériser un nouveau modèle d’élastinopathie chez le poisson-zèbre. En effet, la majorité des études concernant ce type de pathologies se fait actuellement sur des modèles rongeurs. La mise en place d’un modèle chez le poisson-zèbre pourrait ouvrir de nouvelles voies, notamment en facilitant les tests de molécules thérapeutiques à grande échelle. Nous avons donc réalisé une revue de la littérature pour rassembler les données déjà connues concernant les fibres élastiques du poisson-zèbre et leur implication dans la fonction cardiovasculaire de celui-ci. Le poisson-zèbre possède deux élastines (a et b) et celles-ci semblent avoir un comportement globalement similaire à ce qui est décrit chez les mammifères. Des études histologiques des vaisseaux ont également montré une organisation de l’élastine en lamelles concentriques dans la paroi des aortes ventrale et dorsale, et dont le nombre diminuait à mesure de l’éloignement du cœur. Le mutant elnasa12235, qui produit une élastine a non-fonctionnelle, a ensuite été étudié. En plus d’une espérance de vie diminuée, les mutants homozygotes ou hétérozygotes développent fréquemment des complications suggérant une insuffisance cardiaque (œdèmes généralisés, hypertrophie du ventricule). Leurs valves cardiaques ont également un aspect désorganisé qui pourrait affecter leur fonction. La population est cependant très hétérogène et tous les poissons mutants ne développent pas de signes pathologiques. Le deuxième axe sur lequel a porté ce travail de thèse a été l’évaluation du potentiel thérapeutique d’une protéine élastique synthétique (SEP) pour application vasculaire dans le contexte des élastinopathies. La SEP est une protéine inspirée de la tropoélastine humaine, qui pourrait la remplacer en venant renforcer les fibres élastiques de la paroi vasculaire in situ. Des étapes de validation ont d’abord été réalisées pour assurer l’innocuité de la protéine sur cellules vasculaires humaines puis sur le poisson-zèbre. Nous avons aussi montré que la SEP était capable d’intégrer les fibres de fibrilline par un processus actif nécessitant l’action d’enzymes de réticulation. A l’aide d’un modèle in vitro de coculture, nous avons pu montrer que la SEP traverse l’endothélium pour rejoindre les cellules musculaires lisses et former des fibres. Des injections intravasculaires sur larves de poisson-zèbre ont également mis en évidence une rétention vasculaire de la SEP sur plusieurs jours, suggérant qu’elle parvient bien à intégrer les parois des vaisseaux. En conclusion, ce travail de thèse a permis de mettre en avant deux stratégies alternatives dans l’étude des complications vasculaires des élastinopathies : l’une proposant un nouveau modèle d’étude avec l’utilisation du poisson-zèbre et l’autre évaluant la faisabilité d’une voie thérapeutique innovante, par l’utilisation d’une protéine élastique synthétique.

Elasticity is necessary for the proper function of several tissues in the body and particularly in the case of large arteries such as the aorta. The main responsible for this elasticity are the elastic fibers, composed mainly of two proteins: elastin and fibrillins. Elastin deficiencies are known to cause pathologies, namely Williams Beuren Syndrome, non-syndromic supravalvular aortic stenosis and autosomal dominant cutis laxa. These elastinopathies are associated with a vast range of complications, but the most severe are the ones affecting the cardiovascular system. As of today, there is no satisfactory treatment to prevent, reduce or repair elastic fibers’ defaults. Therapeutic solutions are to be found to improve the quality of life of these patients and to alleviate the consequences resulting from the lack of elastin, more importantly concerning the cardiovascular outcomes. The objective of this thesis work is divided in two greater axes, both aiming for the development of alternative research strategies in the current context. First, the characterization of a new model to study elastinopathies was proposed, based on the use of the zebrafish. The vast majority of studies has been focusing on rodent models, with great progress achieved in the understanding of mechanisms underlying elastinopathies. However, the zebrafish model could facilitate research approaches, such as for example high throughput screenings of therapeutic molecules. A review of the literature was undertaken to judge the relevance of the zebrafish model for the study of elastic fibers and associated cardiovascular complications. Zebrafish has two elastin, which behave in a globally similar way that elastins from mammals. Histological studies highlighted a concentric organization of elastin-rich lamellae in the vascular wall of the ventral and dorsal aortas, with a decreasing number of these lamellae when further from the heart. The elnasa12235 mutant was then investigated for cardiovascular outcomes associated to elastin a deficiency. elna+/- and elna-/- zebrafish both had shorter life expectancies and developed frequently complications that could arise from heart failure (systemic edemas, ventricle hypertrophy). Cardiac valves were also showing a particular disorganized aspect that could affect their function. Mutant populations were however highly heterogenous and some mutant fish did not develop any pathological signs until an advanced age. The second axis concerns the evaluation of an innovative therapeutic strategy based on a synthetic elastic protein (SEP) inspired from human tropoelastin. This protein could replace the lacking tropoelastin in the context of vascular elastinopathies and reinforce vascular elastic fibers in the vascular wall, acting as a molecular prosthesis. The innocuity of SEP was first validated by in vitro and in vivo experiments, using human vascular cells and zebrafish larvae. Then, the ability of SEP to be integrated into fibrillin-rich fibers was assessed, showing that it could form fibers in an enzyme-dependent manner, involving lysyl-oxidase activity. The transendothelial passage of SEP was also tested in a coculture in vitro model of the endothelium and SEP was found to cross the endothelial layer and to be processed by smooth muscle cells to form fibers. The intravascular injection of SEP was also tested on zebrafish larvae and show a retention of the protein in the vessels for several days, suggesting that it had been incorporated into the vascular wall. In conclusion, this thesis work highlighted two alternative strategies to further study vascular complications arising from a deficiency in elastin. The first one proposes the use of the zebrafish model and describe the first pathological model of elastinopathy in the zebrafish. The second intend to evaluate the feasibility of an innovative therapeutic strategy based on the use of a synthetic elastic protein inspired from human tropoelastin.