Les effets de la thrombine sur l'épithélium colique humain, grâce aux organoïdes (modèle ex vivo, 3D)

par Morgane Sébert

Thèse de doctorat en Physiopathologies

Sous la direction de Nathalie Vergnolle et de Audrey Ferrand.

Soutenue le 19-01-2018

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse) , en partenariat avec Institut de Recherche en Santé Digestive - IRSD [Purpan, Toulouse] (laboratoire) .


  • Résumé

    La thrombine, une protéase à sérine connue pour être l'acteur clé de la cascade de coagulation, a été décrite pour réguler les processus apoptotiques au niveau du côlon via l'activation de récepteurs activés par des protéases ou PARs (Protease-Activated Receptors). Cependant, les effets de la thrombine sur la cellule épithéliale colique n'ont été étudiés qu'en utilisant des lignées cellulaires. Les conséquences d'une exposition à différentes doses de thrombine sur un épithélium complexe, composés de différents types cellulaires plus ou moins différenciés sont inconnues à ce jour. Un nouveau modèle cellulaire, nommé organoïde, permet de reconstituer un épithélium colique fonctionnel en 3-dimensions (3D) à partir de résections ou de biopsies humaines, et ce, grâce aux capacités d'auto-renouvellement et de différenciation des cellules souches issues des cryptes coliques. Le 1er objectif de ma thèse a été d'évaluer les effets de la thrombine sur la survie, la prolifération, l'apoptose et la différenciation de l'épithélium colique humain, en utilisant le modèle organoïde. Puis, de déterminer l'implication des récepteurs PAR1 et PAR4 activés par la thrombine dans ces effets. Ainsi, l'ajout de thrombine (à faible dose : 10mU/mL et à forte dose : 50mU/mL) sur une culture d'organoïdes établis à partir de tissus colorectaux normaux entraîne une diminution de moitié de l'activité métabolique et de la prolifération cellulaire. Ces effets sont bloqués en présence d'un antagoniste de PAR1. Le processus apoptotique est, cependant, augmenté d'un facteur 8 en réponse à la thrombine (aux deux doses). Ce processus est inhibé en présence d'antagoniste de PAR1 ou de PAR4. Concernant la différenciation épithéliale, la thrombine diminue le nombre de colonosphères (structures immatures), au profit d'une augmentation du nombre de structures apoptotiques et de colonoïdes (structures plus matures présentant des néo-cryptes). Cet effet est dû à l'activation à la fois de de PAR1 et de PAR4 dans les cellules épithéliales coliques. Mes résultats démontrent que la thrombine exogène agit sur les processus d'apoptose, de prolifération et de différenciation sur un épithélium complexe, issu de la culture de tissus humains. L'utilisation de ce modèle ex vivo permet de comparer les organoïdes pathologiques et normaux, voire de tester les effets d'approches pharmacologiques et de nouveaux médicaments sur ces cultures. Ainsi, la 2nde partie de ce travail de thèse a été d'aborder la mise en place des conditions de culture et d'imagerie nécessaires pour réaliser un screening à haut débit robuste et reproductible, HCS (High-Content Screening), appliquée aux organoïdes. Les conditions de culture d'organoïdes en plaques 96-puits ont été mises au point de même que les conditions permettant d'acquérir des images répondant aux critères nécessaires pour une analyse via un système HCS. Le système Operetta HCS couplé au logiciel d'analyse Harmony (PerkinElmer) a été utilisé pour mettre en place une procédure d'analyse permettant de reconnaître les organoïdes, de les dénombrer, de les classer selon leur état de différenciation et de suivre leur croissance tout au long de la culture. Pour conclure, ces travaux de thèse ont permis de mettre en évidence les effets de la thrombine sur l'état métabolique, l'apoptose et la différenciation de l'épithélium colique humain, grâce au modèle 3D ex vivo d'organoïdes colorectaux. L'utilisation de ce modèle complète les approches jusque-là effectuées dans des modèles de lignées de cellules épithéliales, proposant une vision intégrée du comportement d'un épithélium complexe humain. L'approche HCS initiée lors de ces travaux de thèse pourrait permettre d'analyser de façon robuste et automatisée dans ce modèle, les effets d'autres composés et avoir ainsi un impact majeur sur notre compréhension des pathologies épithéliales et sur les tests de nouvelles approches thérapeutiques.

  • Titre traduit

    Effects of thrombin of human colic epithelium on organoids (3D ex vivo model)


  • Résumé

    Thrombin, a serine protease known for its role in the coagulation cascade, was described for its effects on the induction of apoptosis in colonic epithelial cell lines, through the activation of Protease Activated Receptors (PARs). However, the effects of thrombin on complex epithelial structures such as the human intestinal epithelium composed of different cell types and cells at different stages of differentiation, has never been investigated. A new cellular model, named organoid, enables to reconstitute a functional epithelium in 3-dimensions (3D), from human resections or biopsies, thanks to the self-renewal and differentiation properties of stem cells isolated from colonic crypts. The first objective of this thesis was to evaluate thrombin's effects on survival, proliferation, apoptosis and differentiation in human colonic epithelium, using the organoid model. Then, we aimed to determining the implication of PAR1 and PAR4 in the thrombin's effects. Thus, thrombin added (at low dose: 10mU/mL and higher dose: 50mU/mL) to organoid cultures from control patients, led to a decrease by half of metabolic activity and cell proliferation. These effects were blocked by the addition of a PAR1 antagonist. Apoptotic process was 8-fold higher in organoid cultures exposed to thrombin (both doses) and this effect was inhibited by the addition of a PAR1 or a PAR4 antagonist. As per epithelial differentiation, thrombin decreased the number of colonospheres (immature structures) favoring the increase of apoptotic structures and colonoids (budding structures considered as more mature). This effect was due to PAR1 and PAR4 activation as again, it was blocked both by PAR1 and PAR4 antagonist. Taken together, these results reveal that exogenous thrombin acts on apoptosis, proliferation and differentiation processes in complex human colonic epithelium. The use of this ex vivo model will allow to compare pathological versus normal organoid cultures, but also to test the effects of pharmacological approaches and new treatment options directly in cultured human tissues. Thus, the 2nd part of this thesis was to setup the best culture conditions and the best imaging conditions to perform a robust and reproducible screening approach, HCS (High-Content Screening), using organoid cultures. Culture conditions in 96-well plates were set up and allowed to acquire images with the HCS system. Operetta HCS coupled to an analysis software (Harmony, PerkinElmer) was used to develop a specific program enabling the recognition of organoids, their counting, their classification according to their differentiation status and enabling to follow organoid growth in cultures. To sum up, the work performed allowed to highlight the effects of thrombin on metabolic status, apoptosis and differentiation of human colon epithelium, using an ex vivo 3D organoid model. The use this model nicely completed epithelial cell line approaches, offering an integrated view of the complex behavior of human epithelium. The HCS approach initiated within this thesis should allow the automated analysis of a number of drugs and treatments. It should help our understanding of epithelial pathologies and the testing of new therapeutic approaches.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Les effets de la thrombine sur l'épithélium colique humain, grâce aux organoïdes (modèle ex vivo, 3D)
  • Détails : 1 vol (202 p.)
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