Cellular senescence and pathophysiology of chronic lung diseases : application to chronic obstructive pulmonary disease (COPD)

L'accumulation de cellules sénescentes (CS) est considérée comme un processus pathologique majeur impliqué dans la physiopathologie de plusieurs maladies pulmonaires parmi lesquelles la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose pulmonaire. Les CS sont stables, elles peuvent survivre in vivo ou in vitro tout en perdant leur capacité de réparation, mais également en surexprimant certains médiateurs agissant sur les tissus environnants et appelé SASP (senescence associated secretory phenotype). Les CS pulmonaires contribuent ainsi au défaut de réparation tissulaire et, via leur SASP, à des altérations tissulaires aussi variées que à l'inflammation, l'emphysème, ou l'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). Limiter la sénescence cellulaire et le SASP représente ainsi un objectif thérapeutique majeur dans la BPCO.Au cours de ma thèse, j’ai exploré les mécanismes conduisant à la senescence cellulaire dans la BPCO en utilisant une double approche : études sur tissus et cellules humaines couplées à l’étude d’animaux transgéniques.La première étude à laquelle j’ai contribué porte sur le rôle de la voie de signalisation mTOR dans la sénescence cellulaire. Nous avons montré une activation des membres de cette voie dans les poumons et les cellules en culture (cellules musculaires lisses et cellules endothéliales) de patients BPCO en comparaison avec des sujets témoins, et montré que l’inhibition de mTOR par la rapamycine protège de la sénescence cellulaire. Nous avons évalué les conséquences de l'activation de mTOR, induite chez des souris transgéniques par la délétion inductible du régulateur négatif du complexe 1 de mTOR (TSC1) dans les cellules endothéliales et les cellules épithéliale alvéolaires. Ces souris développent un emphysème pulmonaire et une HTAP en 3 mois, montrant un lien étroit entre la voie mTOR, l’accumulation de CS et l’emphysème.La seconde étude porte sur le rôle du stress oxydant présent dans les poumons de patients BPCO, et associé à une réduction des facteurs de transcription junD et Nrf2. J’ai étudié des souris déficientes pour JunD (JunD-KO) présentant un stress oxydant chronique et une accumulation de CS en comparaison avec des souris témoins à l’âge de 4 mois et 12-18 mois, traitées ou non par l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Nous avons observé une réduction du stress oxydant par le NAC, avec une diminution des dommages à l’ADN, du nombre de CS, et de l’emphysème pulmonaire. Ces effets, cependant, ont lieu de façon contemporaine à la survenue d’adénocarcinome pulmonaire chez 50% des souris JunD-KO et 10% des souris témoins à l’âge de 12-18 mois. Seules les souris traitées par le NAC développent un cancer. L’hypothèse est que le NAC crée un échappement à la sénescence cellulaire et favorise la transformation cellulaire, ce qui semble pouvoir être reproduit in vitro sur des fibroblastes embryonnaires de souris JunD-KO et témoins.Dans une troisième étude, j’ai montré que l’exposition de souris à l’hypoxie chronique induit une senescence pulmonaire qui s’accompagne d’une HTAP et un léger emphysème. Pour évaluer les effets des CS dans ce modèle, j’ai utilisé des souris permettant l’inactivation de p16 (délétion de p16 chez les souris homozygotes p16-luciférase) ou l’élimination des CS (souris p16-ATTAC dans lesquelles le gène suicide ATTAC est activable par le rapalog AP20187). Nos résultats montrent que l’inactivation de p16 et l’élimination des CS aggravent l’HTAP hypoxique malgré une réduction de l’inflammation pulmonaire. Une analyse RNAseq est en cours pour comprendre le mécanisme.Ces résultats montrent que les CS jouent un rôle majeur dans les altérations structurales des vaisseaux et du parenchyme pulmonaire au cours de la BPCO. Limiter la sénescence cellulaire peut être bénéfique, mais peut également, dans le cas du NAC, favoriser l’émergence cancer pulmonaire.Accumulation of senescent cells (SC) is considered as a major pathological process in the pathogenesis of various lung diseases including chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung fibrosis. SCs are stable, can survive in vitro and in vivo while losing their reparative capacity. They also overexpress mediators acting on the surrounding tissue, a phenomenon called SASP (senescence-associated secretory phenotype). Lung SCs contribute to the loss of tissue repair and, through their SASP, to tissue alteration including inflammation, emphysema or pulmonary arterial hypertension (PAH). Limiting cellular senescence and the SASP thus represents a major therapeutic possibility in COPD.During my PhD I explored mechanisms leading to cellular senescence in COPD using human tissue and cells, coupled with studies of transgenic mice.The first study focused on the role of the mTOR pathway in cellular senescence. We have shown an activation of this pathway in lungs and cells in culture (smooth muscle and endothelial cells) from COPD patients compared to control subjects, and showed that inhibition of mTOR by Rapamycin protects from cellular senescence. Specifically, we assessed the consequences of mTOR activation in mice with the deletion of mTOR negative regulator TSC1 in endothelial and epithelial cells. These mice develop lung emphysema and PAH within 3 months, showing a tight link between mTOR pathway, accumulation of SCs and emphysema.The second study focused on oxidative stress in lungs of COPD patients. This oxidative stress was associated with downregulation of JunD and NRF2 transcription factors. I studied mice lacking JunD (JunD-KO) exerting a chronic oxidative stress and SCs accumulation, at 4 as well as 12-18 months of age, treated with the antioxidant N-acetylcyteine (NAC) or vehicle. We observed a reduction in oxidative stress by NAC treatment, along with a diminution of DNA damage, SCs accumulation and emphysema. However NAC treatment also induced the development of lung adenocarcinoma in 50% of JunD-KO and 10% in control mice at the age of 12-18 month. Remarkably, only mice treated with NAC developed cancer. Based on these observations we speculated that NAC may lead to an escape from cellular senescence, a finding conformed in embryonic fibroblasts obtained from JunD-KO and control mice in vitro.In the third study, I showed that exposure of mice to chronic hypoxia leads to pulmonary senescence along with PAH and mild emphysema. To study the role of SCs in this model I used mice allowing p16 inactivation (p16 deletion in p16-luciferase homozygous mice) or elimination of SCs (p16-ATTAC mice harboring the ATTAC suicide gene, inducible with rapalog AP20187). Our results showed that both inactivation of p16 and elimination of SCs worsened hypoxic PAH despite a reduction in pulmonary inflammation. An RNA-Seq study is ongoing to understand the underlying mechanism.Collectively, these results demonstrated that SCs play a critical role in vascular and parenchymal structural remodeling in COPD. Limiting cellular senescence can be beneficial, but also, in the case of NAC, favors the emergence of lung cancer