Caractérisation des macrophages synoviaux et de leurs interactions avec les fibroblastes dans l’arthrose

• Auteur / Autrice : Damien Laouteouet
• Direction : Florence Apparailly
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRMB - Cellule souches, plasticité cellulaire, régénération tissulaire et immunothérapie des maladies inflammatoires
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physiopathologie et Immunothérapie des Pathologies Inflammatoires
• Jury : Président / Présidente : Francis Berenbaum
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Apparailly, Julie Helft, Marie-Astrid Boutet, Gabriel Courties
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Berenbaum, Julie Helft

Mots clés

Mots clés libres

Inflammation

Monocytes

Macrophages

Arthrose

Fibrose

Synovium

Inflammation

Monocytes

Macrophages

Osteoarthtitis

Fibrosis

Synovial tissue

Résumé

Les macrophages représentent la population immunitaire majoritaire du tissu synovial, jouant un rôle essentiel dans le maintien de l'homéostasie tissulaire. Dans le contexte de l'arthrose, cette membrane devient inflammée et fibrosée, ce qui participe à la douleur et à la dégradation du cartilage observées chez les patients. Des études montrent que le nombre de macrophages est significativement augmenté dans la membrane synoviale arthrosique et qu’ils possèdent un profil pro-inflammatoire. Néanmoins, l'élimination de la totalité de la population des macrophages synoviaux dans les modèles animaux d'arthrose, donne des résultats contradictoires quant à leur rôle dans la pathogénèse de l'arthrose. La limite de cette stratégie réside dans le fait que les macrophages représentent une population hétérogène de différents types de macrophages aux fonctions distinctes. Afin de cibler la ou les sous-populations impliquées dans l’arthrose, il est donc nécessaire de les caractériser et d’étudier leurs fonctions respectives. Cependant, dans le contexte de l'arthrose, l’étude de l’hétérogénéité des macrophages reste à ce jour limitée et mérite une caractérisation plus approfondie. C’est dans cette perspective que s’inscrit ma thèse. En combinant diverses techniques telles que le séquençage d'ARN sur cellule unique, la cytométrie de masse par imagerie et la cytométrie en flux multiparamétrique, nous avons fait une caractérisation exhaustive des différentes populations de macrophages dans le tissu synovial sain et arthrosique chez la souris et l’humain. Nous avons identifié 3 sous-populations uniques de macrophages dans la membrane synoviale arthrosique : les macrophages Tim4+Lyve1+FolR2+ (TLF+), les macrophages MHCII+ et les macrophages Spp1+. Dans le modèle murin d’arthrose induite par la collagénase, nous montrons que les macrophages résidents TLF+ de la couche bordante possèdent une faible plasticité transcriptionnelle et se relocalisent dans la couche interstitielle de la membrane synoviale, proche de la néo-vascularisation pathologique. En parallèle, les macrophages Tim4-Spp1+ dérivés des monocytes, infiltrent massivement la couche interstitielle et adoptent un profil pro-inflammatoire et pro-fibrotique. Nous avons également analysé la composante stromale, mettant en lumière la présence significative du sous-type de fibroblastes activés FAP+ dans les deux couches de la membrane synoviale. Nous nous sommes alors penchés sur le rôle du dialogue entre les macrophages et les fibroblastes au cours de l’arthrose, via des analyses bio-informatiques in silico. Nos analyses suggèrent l'implication de plusieurs voies de signalisation via divers ligands tels que l'oncostatine M (OSM), l'ostéopontine et la galectine 3, particulièrement exprimés par les macrophages infiltrants dans le contexte de l'arthrose. Connus pour leurs rôles dans l'inflammation et la fibrose dans diverses pathologies, ces ligands pourraient jouer un rôle clé dans la synovite chronique au cours de l’arthrose. Parmi eux, l'oncostatine M se profile en tant que médiateur pertinent. En effet, en condition arthrosique les macrophages recrutés expriment fortement le gène associé à l’OSM, tandis que les fibroblastes expriment les gènes associés à ses récepteurs OSMR et IL6ST, suggérant une interaction ciblée entre ces cellules. Des études complémentaires in vitro et in vivo, sont en cours afin de valider ces mécanismes. Mes travaux de thèse soutiennent donc l’idée que l’interaction entre certains types de macrophages et de fibroblastes jouent un rôle clé dans le développement et la persistance de la synovite chronique au cours de l’arthrose. Ainsi, la modulation des médiateurs impliqués dans ce dialogue immuno-stromal pourrait à l’avenir constituer une voie thérapeutique prometteuse face à cette maladie, pour laquelle il n'existe aucun traitement curatif.

Macrophages represent the predominant immune population of the synovial tissue, playing an essential role in maintaining tissue homeostasis. In the context of osteoarthritis, this membrane becomes inflamed and fibrotic, contributing to the pain and cartilage degradation observed in patients. Studies show that the number of macrophages is significantly increased in the osteoarthritic synovial membrane and that they possess a pro-inflammatory profile. Nevertheless, the elimination of the entire population of synovial macrophages in animal models of osteoarthritis yields contradictory results regarding their role in the pathogenesis of osteoarthritis. The limitation of this strategy lies in the fact that macrophages represent a heterogeneous population of different types of macrophages with distinct functions. To target the sub-population(s) involved in osteoarthritis, it is necessary to characterize them and study their respective functions. However, in the context of osteoarthritis, the study of macrophage heterogeneity remains limited to this day and warrants more in-depth characterization. It is in this perspective that my thesis is inscribed. By combining various techniques such as single-cell RNA sequencing, mass cytometry imaging, and multiparametric flow cytometry, we have established a comprehensive characterization of the different macrophage populations in healthy and osteoarthritic synovial tissue in mice and humans. We identified 3 unique sub-populations of macrophages in the osteoarthritic synovial membrane: Tim4+Lyve1+FolR2+ (TLF+) macrophages, MHCII+ macrophages, and Spp1+ macrophages. In the murine model of collagenase-induced osteoarthritis, we show that the resident TLF+ macrophages of the lining layer possess low transcriptional plasticity and relocate to the interstitial layer of the synovial membrane, close to pathological neo-vascularization. In parallel, Tim4-Spp1+ macrophages derived from monocytes massively infiltrate the interstitial layer and adopt a pro-inflammatory and pro-fibrotic profile. We also analyzed the stromal component, highlighting the significant presence of activated FAP+ fibroblast subtype in both layers of the synovial membrane. We then focused on the role of the dialogue between macrophages and fibroblasts during osteoarthritis, through in silico bioinformatic analyses. Our analyses suggest the involvement of several signaling pathways through various ligands such as oncostatin M (OSM), osteopontin, and galectin 3, particularly expressed by infiltrating macrophages in the context of osteoarthritis. Known for their roles in inflammation and fibrosis in various pathologies, these ligands could play a key role in chronic synovitis during osteoarthritis. Among them, oncostatin M emerges as a relevant mediator. Indeed, in osteoarthritic conditions, recruited macrophages strongly express the OSM-associated gene, while fibroblasts express the genes associated with its receptors OSMR and IL6ST, suggesting a targeted interaction between these cells. Additional in vitro and in vivo studies are underway to validate these mechanisms. My thesis work thus supports the idea that the interaction between certain types of macrophages and fibroblasts plays a key role in the development and persistence of chronic synovitis during osteoarthritis. Therefore, modulating the mediators involved in this immune-stromal dialogue could, in the future, constitute a promising therapeutic avenue against this disease, for which there is no curative treatment.