Comprehensive study of the immunomodulatory properties of bone marrow-derived mesenchymal stromal cells

Over the course of the last decade, mesenchymal stromal cells (MSC) have made a remarkable entry in the field of cell-based immunotherapy. In vitro, MSC were shown to modulate the immune response, either by acting as an immunosuppressant on several immune cells, or upon IFN-γ stimulation, as an antigen presenting cell (APC) for the priming of CD4+ T cells. Although a vast array of in vivo experiments in animals and humans has undeniably proven the immunological properties of MSC, the exact mechanisms by which MSC mediate their effects remain unclear. In Chapter 1, I presented a succinct review of the literature in regards to the characteristics of MSC. In Chapter 2, I addressed the immunosuppressive mechanisms of human MSC toward T cell proliferation. Using an in vitro proliferation assay, I demonstrated that human MSC suppressed T cell proliferation through the expression indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) induced following IFN-γ priming. In addition, MSC derived from different donors were shown to suppress T cell proliferation at variable degrees, which corresponded to their individual expression level of IDO. The use of whole peripheral blood mononuclear cells (PBMC) as opposed to purified T cells revealed the role played by monocytes in the suppression of T cell proliferation by MSC. Factors secreted by MSC in addition to the enzymatic activity of IDO induced the differentiation of monocytes into immunosuppressive M2 macrophages. Stimulation by IFN-γ not only triggered the immunosuppressive mechanisms of MSC but also induced APC-like properties in MSC. In Chapter 3, I investigated the molecular mechanisms implicated in the modulation of IFN-γ-inducible expression of MHC class II molecules and mediated antigen presentation in MSC. I demonstrated that IFN-γ mediated the transcriptional activation of the class II transactivator gene (CIITA), which is responsible for the upregulation of MHC class II molecules on both mouse and human MSC, and that TGF-β counter-acted the effect of IFN-γ by inhibiting the transcription of CIITA. In addition, cell culture density also modulated MHC class II-mediated antigen presentation differentially in mouse and human MSC. In Chapter 4, I examined the capacity of mouse MSC to cross-present exogenously acquired antigens as part of their APC-like features. I demonstrated that cross-presentation by mouse MSC was induced by IFN-γ and dependent on MHC class I machinery molecules, TAP complex and proteasome. I also demonstrated using an in vivo immune reconstitution assay, that mouse MSC can prime CD8+ T cells against a specific antigen, a characteristic of professional APC. Finally, I investigated in Chapter 5 the immunological impact of TLR expression and signaling in human and mouse MSC. I demonstrated that TLR activation in MSC induced the expression of chemokines and cytokines, which created an attractive inflammatory milieu for immune cells. I concluded by demonstrating that MSC differ from classic APC in that they did not express IL-12p70, an essential cytokine involved in both innate and adaptive immunity, in response to TLR activation. The findings in this thesis illustrate the complexity of the mechanisms by which MSC modulate the immune system. Their response to environment clues such as inflammation and pathogens activate either their suppressive or stimulatory immune functions, depending on the situation. Overall, these findings help optimize the utilization of MSC in cell-based immunotherapy.Au cours de la dernière décennie, les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) ont fait une entrée remarquée dans le domaine de l'immunothérapie cellulaire. In vitro, les MSC ont démontrées des propriétés immunomodulatrices, soit par leur action inhibitrice sur les fonctions des cellules du système immunitaire ou par leur capacité à présenter des antigènes aux lymphocytes T CD4+, à la suite d'une stimulation par IFN-. Malgré l'existence de nombreuses recherches in vivo chez les animaux et l'homme prouvant leurs propriétés immunologiques, les mécanismes par lesquels les MSC modulent le système immunitaire n'ont pas encore été élucidés. Dans le Chapitre 1, j'ai présenté une revue succincte de la littérature traitant des caractéristiques des MSC. Dans le Chapitre 2, j'ai adressé les mécanismes immunosuppressifs des MSC humaines sur les lymphocytes T. À l'aide d'un test de prolifération in vitro, j'ai démontré que les MSC humaines suppriment la prolifération des lymphocytes T par grâce à l'expression indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) induite par l'exposition à l'IFN-. De plus, les MSC isolées de différents donneurs inhibent la prolifération des lymphocytes T à différents degrés qui correspondent au le niveau d'expression d'IDO par chaque donneur. L'utilisation de cellules mononucléaires sanguines (PBMC) complet comparativement à l'utilisation de lymphocytes T purifiés a révélé le rôle joué par les monocytes dans la suppression de la prolifération des lymphocytes T par les MSC. L'activité enzymatique d'IDO en combinaison avec d'autres facteurs sécrétés par les MSC induisent la différentiation des monocytes en macrophages immunosuppressifs de type M2. En plus de déclencher les mécanismes immunosuppressifs des MSC, l'IFN-a aussi eu pour effet d'induire des propriétés typiques des cellules présentatrices d'antigène (CPA) chez les MSC. Dans le Chapitre 3, j'ai étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la modulation de l'expression des molécules MHC de type II et la présentation d'antigène par celles-ci dans les MSC. J'ai démontré que l'IFN- active la transcription du transactivateur de classe II (CIITA), ce qui a eu pour résultat d'uprégulation les molécules MHC de type II dans les MSC murines et humaines, et que l'ajout de TGF- contrecarre l'effet de l'IFN- en inhibant la transcription de CIITA. De plus, la densité cellulaire des MSC en culture module la présentation d'antigène en affectant l'expression des molécules MHC de type II différemment chez les MSC murines et humaines. Dans le Chapitre 4, j'ai examiné la capacité des MSC de souris à cross-présenter des antigènes exogènes, une autre propriété typique des CPA. J'ai démontré que l'IFN- induit la cross-présentation dans les MSC murines et que celle-ci dépend des molécules TAP et du protéasome. J'ai aussi prouvé à l'aide d'un modèle de reconstitution immunitaire in vivo, que les MSC murines peuvent induire l'activation des lymphocytes T CD8+ contre un antigène spécifique. Finalement, j'ai enquêté dans le Chapitre 5, l'impact immunologique de l'expression et de la signalisation par les TLR chez les MSC humaines et murines. J'ai illustré que l'activation des TLR induisait l'expression de chemokines et de cytokines par les MSC créant ainsi un milieu inflammatoire propice au recrutement des cellules immunitaires. J'ai conclue en démontrant que les MSC différaient des CPA classiques par l'absence de production IL-12p70, une cytokine essentielle à la réponse immunitaire innée et acquise, en réponse à la stimulation des TLR. Les résultats inclus dans cette thèse illustrent la complexité des mécanismes immunomodulatoires des MSC. Leurs réponses face aux signaux de leur environnement, tel que l'inflammation ou l'infection activent soit leurs propriétés immunosuppressives ou –stimulatrices dépendamment de la situation. Mes découvertes pourront optimiser l'utilisation des MSC dans le domaine de l'immunothérapie cellulaire