Oxidative stress and regulation of hematopoietic stem cell properties : implication of low dose of ionizing radiations and use of antioxidants for ex vivo culture in gene and cell therapy

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont garantes de l’homéostasie du système hématopoïétique tout au long de notre vie. Leurs propriétés essentielles de multipotence, quiescence et auto-renouvèlement sont finement régulées par un ensemble de facteurs, à la fois intrinsèques et liés à leur microenvironnement. Parmi ces facteurs, le taux d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) est crucial pour le maintien des propriétés des CSH, une augmentation de ROS étant associée à une différenciation des cellules voire à leur sénescence. De nombreux stress induisent une augmentation du taux de ROS. Dans ce travail, nous avons étudié le rôle des ROS sur les CSH humaines selon deux approches. Tout d’abord, nous avons caractérisé l’impact de faibles doses de radiations ionisantes sur les CSH. Celles-ci, contrairement aux fortes doses, n’induisent pas de dommages immédiats de type cassures double-brin et apoptose, mais diminuent drastiquement les capacités de clonogénicité in vitro et de reconstitution hématopoïétique après transplantation secondaires. Nous avons montré que ces effets sont dus à une augmentation transitoire des ROS et à une activation de la voie p38MAPK. De plus, il est possible de restaurer les capacités fonctionnelles des CSH par un traitement antioxydant ou par un inhibiteur de la voie p38MAPK. Par ailleurs, les CSH sont d’une utilité clinique majeure pour la thérapie cellulaire et génique. Dans ce cadre, les étapes de transduction virale et les tentatives d’expansion du nombre de CSH se font dans des milieux enrichis en cytokines qui favorisent la différenciation, en partie via une augmentation des ROS. Ainsi, nous avons étudié la faisabilité d’un traitement antioxydant pour limiter ces effets. Nous avons démontré que dès deux jours de culture, la signalisation liée à une augmentation du taux ROS est déjà activée. Nous avons également observé une amélioration significative des capacités fonctionnelles des CSH traitées avec des antioxydants, via une diminution de l’activité métabolique et de l’activation de p38MAPK. L’ensemble de ces résultats pourra amener à des améliorations des protocoles cliniques existant, à la fois dans le cadre de la prévention des effets des faibles doses de radiations ionisantes (imagerie médicale, radiothérapie…) mais aussi de la thérapie génique et cellulaire, afin de préserver au mieux les propriétés fondamentales des CSH.Hematopoietic stem cells (HSC) are warrant of the hematopoietic system homeostasis throughout our life. Their essential properties of multipotency, quiescence and self-renewal are tightly regulated by different factors, both intrinsic and due to their mictoenvironment. This includes the level of reactive oxygen species (ROS) level, which is crucial for the maintenance of HSC core properties. An increase in the ROS level is indeed associated to cell differentiation and even to their senescence. Many stress signals can induce a ROS increase. In this work, we have studied ROS impact on human HSC following two different approaches. First, we have characterized the impact of low doses of ionizing radiations (LDIR) on HSC. LDIR, contrary to high doses, do not induce immediate damages such as DNA double-strand breaks or apoptosis, but drastically decrease in vitro clonogenic and in vivo hematopoietic reconstitution capacities in secondary replating or transplantation. We showed that these effects were due to a transient increase in ROS levels and p38MAPK activation. In addition, a rescue of HSC functional capacities is possible by a treatment with an antioxidant or with a p38MAPK inhibitor. Furthermore, HSC use in clinical cell and gene therapy is major. In this context, viral transduction and expansion trials require cytokine-enriched media that favor differentiation, in part by a ROS increase. We studied the feasibility of an antioxidant treatment to circumvent this. We demonstrated that after only two days of culture, oxidative stress signaling was already activated. We observed a significative enhancement of functional capacities of antioxidant-treated HSC, via metabolic activity and p38MAPK activation decrease. Overall, these results could lead to improvements in clinical protocols, both in the prevention of LDIR effects due to medical imaging or radiotherapy for instance; and in cell and gene theray, in order to better preserve HSC fundamental properties