Etude des mécanismes qui provoquent la fibrose pulmonaire post irradiation par une approche scRNAseq

Study of the mechanisms leading to radiation-induced pulmonary fibrosis through a single cell RNA sequencing approach

• Auteur / Autrice : Juliette Soulier
• Direction : Arturo Londono-vallejo, Charles Fouillade
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 22/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signalisation, Radiobiologie et Cancer
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Le crom
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arturo LONDOñO-VALLEJO, François Paris, Charles Fouillade, Rob Coppes, Laura Cantini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Paris, Rob Coppes

Mots clés

Mots clés libres

Fibrose pulmonaire radio induite

Séquençage d'ARN de cellule unique

Analyse bioinformatique

Radio-induced pulmonary fibrosis

Single cell RNA sequencing

Bioinformatic analysis

Résumé

La radiothérapie est l'une des principales options thérapeutiques pour le traitement du cancer thoracique, y compris le cancer du poumon, première cause de mortalité par cancer dans le monde. Cependant, cinq à vingt pour cent des patients qui subissent une radiothérapie souffriront de toxicités pulmonaires liées aux radiations, allant de la pneumopathie à l'irreversible fibrose pulmonaire radio-induite (FPRI). La FPRI se caractérise par une destruction progressive et irréversible de la structure des alvéoles, ainsi que par un dépôt de collagène. Ce développement de tissu cicatriciel altère la fonction normale du poumon : les échanges gazeux entre l'air et le sang, et l'évacuation des déchets gazeux, conduisant à une insuffisance respiratoire et finalement à la mort. Certains des principaux événements moléculaires et cellulaires survenant au cours du développement de cette pathologie ont été décrits, mais les mécanismes détaillés et leur temporalité restent largement inconnus. Par conséquent, l'objectif de mon projet est de mieux comprendre les événements cellulaires et moléculaires précis induits par les radiations, du stade initial de la pneumopathie au stade terminal de la fibrose pulmonaire. L'utilisation du séquençage d'ARN de cellules uniques (scRNA seq) nous a permis de décrire avec des détails inédits les processus induits par l'irradiation au sein des tissus non tumoraux et l'interaction entre les différentes populations cellulaires, ainsi que la dynamique de ces processus. Dans un premier temps, nous avons utilisé un modèle murin pour comparer l'effet d'une dose d'irradiation fibrogène ou non fibrogène et analyser la séquence temporelle du développement des événements après l'irradiation. Nous avons observé l'initiation de divers processus d'inflammation et de réparation de différentes populations (cellules endothéliales, épithéliales et myéloïdes) de manière similaire après une dose d'irradiation fibrogène ou non fibrogène : régénération des pneumocytes par dédifférenciation des pneumocytes de type II ou transdifférenciation, signalisation pro-angiogénique induisant des processus de réparation de la microvasculature, différenciation des monocytes en macrophages interstitiels. Cependant, trois mois après l'irradiation, les souris irradiées avec une dose non fibrogène guérissent, tandis que les souris irradiées avec une dose fibrogène entrent dans une inflammation chronique, présentent un changement dans le phénotype des fibroblastes qui se différencient en myofibroblastes et produisent une matrice extracellulaire, induisent une transition épithéliale vers mésenchymateuse des pneumocytes. De plus, ce projet présente la première analyse scRNA seq d'échantillons de tissus pulmonaires non tumoraux de patients ayant subi une radiothérapie pour un cancer du poumon. Les résultats ont mis en évidence l'activation importante de la signalisation pro-angiogénique par l'irradiation dans les tissus pulmonaires non tumoraux et nous ont permis de décrire certains des processus de réparation de la microvasculature, à travers différents états cellulaires endothéliaux tels que les cellules « tip » et « stalk », avec une communication intercellulaire importante avec un sous-type spécifique de macrophages alvéolaires recrutés depuis la circulation. Ce travail a permis de mieux comprendre les mécanismes conduisant à la FPRI, avec un aperçu unique de la réponse pulmonaire du patient à la radiothérapie. De plus, la disponibilité des données temporelles de souris et des données humaines pourrait faciliter d'autres études. Dans l'ensemble, mon projet a participé à l'effort visant à accroître les connaissances sur la physiopathologie de la fibrose pulmonaire radio-induite afin de trouver des options thérapeutiques pour prévenir, arrêter le développement ou traiter l'évolution de cet effet secondaire mortel de la radiothérapie.

Radiotherapy is one of the main therapeutic options for thoracic cancer treatment, including lung cancer, the first cause of cancer-related death worldwide. However, five to twenty percent of the patients that undergo radiotherapy will suffer from lung radiation toxicities, from pneumonitis to irreversible radiation induced pulmonary fibrosis (RIPF). RIPF is characterized by a progressive and irreversible destruction of the alveoli structure, along with collagen deposition. This scar tissue development impairs the normal function of the lung: the gas exchanges between the air and the blood, and the evacuation of gaseous waste, leading to pulmonary failure and ultimately death. Some of the main molecular and cellular events occurring during the development of this pathology have been described, however the detailed mechanisms and their temporality remain largely unknown. Therefore, the objective of my project is to gain a better understanding of the precise cellular and molecular events induced by radiation, from the initial stage of pneumonitis to end-stage pulmonary fibrosis. The use of single cell RNA sequencing (scRNA seq) allowed us to describe with unprecedented details the processes induced by irradiation in the non-tumoral tissue and the interplay between the different cell populations, as well as the dynamics of these processes. First, we used a mouse model to compare the effect of a fibrogenic dose of irradiation or a non fibrogenic dose of irradiation and the temporal sequence of events development after irradiation. We observed the initiation of various processes of inflammation and repair of different populations (endothelial, epithelial and myeloid cells) in a similar way after either a fibrogenic or non-fibrogenic dose of irradiation: regeneration of the pneumocytes through a dedifferentiation of the type II pneumocytes or transdifferentiation, pro-angiogenic signaling inducing processes of microvasculature repair, monocyte differentiation to interstitial macrophages. However, three months post irradiation, the mice irradiated at a non-fibrogenic dose recover, whereases the mice irradiated at a fibrogenic dose enter chronic inflammation, present a shift in the phenotype of fibroblasts that differentiate into myofibroblasts and produced extracellular matrix, induce epithelial to mesenchymal transition of the pneumocytes. Furthermore, this project presents the first scRNA seq analysis of non-tumoral lung tissue samples from patients who underwent radiotherapy for lung cancer. The results highlighted the important activation of pro-angiogenic signaling by irradiation in non-tumoral lung tissue and allowed us to describe some of the repair processes of the micro-vasculature, through different endothelial cell states such as the tip and stalk cells, with important intercellular communication with a specific subtype of recruited alveolar macrophages. This work provided a better understanding of the mechanisms leading to RIPF, with unique insight about the patient's lung response to radiotherapy. Furthermore, the availability of both the mouse temporal dataset and the human dataset could facilitate further studies. Overall, my project participated in the effort increase knowledge on the physiopathology or radiation-induced pulmonary fibrosis in order to find therapeutic options to prevent, stop the development or treat the advancement of this deadly side effect of radiotherapy.