La survie et les adaptations métaboliques des cellules primitives mésenchymateuses et hématopoïétiques en anoxie et anoxie/aglycémie

Survival and metabolic adaptations of primitive mesenchymal and hematopoietic cells in anoxia and anoxia/aglycemia

• Auteur / Autrice : Alice Refeyton
• Direction : Marija Vlaski-Lafarge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 29/02/2024
• 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 : Maladies rares : génétique et métabolisme (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Mourier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Pagès, Aleksandra Jaukovic, Persio Dello Sbarba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Pagès, Aleksandra Jaukovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ischémie

Anoxie

Métabolisme

Cellules souches hématopoïétiques

Cellules stromales mésenchymateuses

Cellules souches

Mots clés libres

Cellules souches

Cellules stromales mésenchymateuses

Cellules CD34+hématopoïétiques

Métabolisme

Anoxie

Ischémie

Stem cells

Mesenchymal stromal cells

Hematopoietic

Metabolic CD34+ cells

Anoxia

Ischemia

Résumé

Les cellules stromales mésenchymateuses (CStroM) comprennent des cellules souches (CS) multipotentes capables de régénérer des tissus lésés par des agressions de type ischémique. Pourtant, une mortalité élevée des CStroM après transplantation est mise en évidence lors de leur prise de greffe. Par conséquent, explorer les stratégies visant à améliorer la viabilité des greffes cellulaires constitue le défi de la thérapie cellulaire. À cette fin, nous avons effectué des analyses fonctionnelles et métaboliques sur deux types de population différents contenant des CS somatiques : des CStroM et une population de cellules partenaires de la niche hématopoïétique, les CD34+.Les cellules CStroM ou CD34+ ont été cultivées dans des conditions d'anoxie (absence d'O2) et de type ischémique (anoxie/aglycémie, absenced'O2 et de glucose, AA) ou à 3% d’O2 correspondant à la concentration physiologique optimale, puis analysées.Les tests fonctionnels révèlent que les cellules CStroM et CD34+ présentent des propriétés de prolifération et de différenciation complètes en anoxie. Les analyses fonctionnelles de cellules individuelles et d'expression génique ont révélé que les CStroM et CD34+ sont non seulement maintenues dans un état d'AA, mais sont celles dans lesquelles les CS, ayant la capacité de prolifération et de différenciation la plus élevée, sont les plus enrichies. L'analyse métabolique multiparamétrique montre que la survie en anoxie est principalement soutenue par la glycolyse et le métabolisme des lipides. En revanche, l'homéostasie énergétique des CStroM dans la condition AA est partiellement assurée par l'activité mitochondriale anaérobie engageant particulièrement les complexes mitochondriaux I, III et l'ubiquinone. De plus, une accumulation importante de succinate dans cette condition pour les deux types de CS a été mise en évidence. Ceci est dû en partie à une inversion de la succinate déshydrogénase, qui à son tour est entraînée par le débordement de fumarate provenant de la dégradation des nucléotides puriques et par une activité de la navette malate-aspartate. Cependant, les principales voies contribuant à l'accumulation de succinate comprennent la stimulation du glucose/pyruvate induit par le glycogène, ainsi que le métabolisme du corps cétonique, des acides aminés et du propanoate qui fournissent du succinyl-CoA converti en succinate. De plus, la survie en ischémie des CStroM est liée au métabolisme des sulfides et à la consommation de H2S, ainsi qu’à une survie améliorée en présence des donneurs de H2S. L’oxydation du H2S médiée par la SQR entraîne le transport réverse des électrons au niveau du complexe mitochondrial I, en utilisant le glutathion comme accepteur d'électrons. L'analyse de l'utilisation des substrats énergétiques a montré que les cellules CD34+ en anoxie semblent utiliser majoritairement les oses simples afin d’alimenter la voie glycolytique et une diminution conséquente du métabolisme mitochondrial en comparaison à la condition à 3% d’O2. En revanche, en AA, les intermédiaires du cycle de Krebs sont utilisés de manière intensive pour fournir les coenzymes NAD/NADH.Nos résultats révèlent une grande flexibilité métabolique des populations de CStroM et CD34+ s'appuyant sur l’enrichissement en CS somatiques détecté en anoxie ou dans la condition mimant l’ischémie. Ainsi, contrairement aux cellules différenciées, les CS somatiques (mésenchymateuses et hématopoïétiques) ont la capacité de survivre dans des conditions d'anoxie et d'aglycémie en utilisant les voies énergétiques conservatrices évolutives existant chez les premiers eucaryotes vivant dans des zones anoxiques enrichies en sulfide. L’exploitation de ce conditionnement ex vivo dans des conditions imitant l’ischémie pourrait constituer une stratégie visant à améliorer la survie des CStroM implantées dans des tissus hypoxiques/ischémiques.

Mesenchymal stromal cells (MStroC) comprise multipotent stem cells (SC) capable of regenerating tissues damaged by ischemic insults. However, high mortality of MStroC after transplantation is highlighted during their engraftment. Therefore, exploring strategies to improve the viability of cell grafts constitutes the challenge of cell therapy. To this end, we performed functional and metabolic analyzes on two different types of populations containing somatic SC: MStroC and a population of hematopoietic niche partner cells, CD34+.MStroC or CD34+ cells were cultured under conditions of anoxia (absence of O2) and ischemic type (anoxia/aglycemia, absence of O2 and glucose, AA) or at 3% O2 corresponding to the physiological optimal concentration, then analyzed.Functional assays reveal that MStroC and CD34+ cells exhibit complete proliferation and differentiation properties in anoxia. Functional analyzes of single cells and gene expression revealed that MStroC and CD34+ are not only maintained in an AA state, but are those in which SC, having the highest proliferation and differentiation capacity, are the most enriched. Multiparametric metabolic analysis shows that survival in anoxia is mainly supported by glycolysis and lipid metabolism. On the other hand, the energy homeostasis of MStroC in the AA condition is partially ensured by anaerobic mitochondrial activity particularly involving mitochondrial complexes I, III and ubiquinone. Furthermore, a significant accumulation of succinate in this condition for both types of SC was demonstrated. This is due in part to an inversion of succinate dehydrogenase, which in turn is driven by fumarate spillover from purine nucleotide degradation and malate-aspartate shuttle activity. However, major pathways contributing to succinate accumulation include glycogen-induced glucose/pyruvate stimulation, as well as ketone body, amino acid, and propanoate metabolism which provide succinyl-CoA converted to succinate. Furthermore, MStroC ischemia survival is linked to sulfide metabolism and H2S consumption, as well as improved survival in the presence of H2S donors. SQR-mediated H2S oxidation results in reverse electron transport at mitochondrial complex I, using glutathione as an electron acceptor. The analysis of the use of energy substrates showed that CD34+ cells in anoxia seem to mainly use simple sugars in order to fuel the glycolytic pathway and a consequent reduction in mitochondrial metabolism compared to the 3% O2 condition. In contrast, in AA, Krebs cycle intermediates are used intensively to provide the coenzyme NAD/NADH.Our results reveal a great metabolic flexibility of MStroC and CD34+ populations based on the enrichment of somatic SC detected in anoxia or in the condition mimicking ischemia. Thus, unlike differentiated cells, somatic SC (mesenchymal and hematopoietic) have the capacity to survive in conditions of anoxia and aglycemia using the evolutionary conservative energy pathways existing in early eukaryotes living in anoxic zones enriched in sulfide . Exploiting this ex vivo conditioning under conditions mimicking ischemia could constitute a strategy to improve the survival of MStroC implanted in hypoxic/ischemic tissues.