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Chronic obstructive pulmonary disease, a disease of increasing incidence, is related mainly to smoking. Although symptoms only appear at adulthood, the disease can develop from early life events. For example, bronchopulmonary dysplasia, which occurs in preterm infants, is characterized by airspace enlargement and could lead to late lung consequences. Once the lesions are established, no curative treatment is available. Stimulating lung regeneration from endogenous stem cells is therefore an exciting research domain, particularly through the activation of the mesenchymal contingent located in the lung stem cell niche., La bronchopneumopathie chronique obstructive, affection d’incidence croissante, est liée principalement au tabagisme. Bien que les symptômes n’apparaissent qu’à l’âge adulte, la maladie peut se développer à partir d’événements précoces de la vie. La dysplasie bronchopulmonaire, par exemple, survenant chez le nouveau-né prématuré, est caractérisée par un élargissement des espaces aériens et peut avoir des conséquences pulmonaires tardives. Une fois les lésions établies, aucun traitement curatif n’est disponible. Stimuler la régénération pulmonaire à partir de cellules souches endogènes est donc une perspective de recherche séduisante, notamment par le biais de l’activation du contingent mésenchymateux présent dans la niche des cellules souches pulmonaires.

International audience; Nanotechnology, defined as techniques aimed to design, characterize and produce materials on a nanometer scale, is a fast-growing field today. Nanomaterials are made of nanoobjects (nanoparticles, nanofibers, nanotubes...). The nanoscale confers on these materials their novel, hitherto unknown, chemical and physical properties by the laws of quantum physics which are essentially expressed on this scale. Nanotechnology applications are numerous (e.g., cosmetics, industry and medicine) and they keep growing. We can safely predict that the production and utilization of nanomaterials will increase greatly in the years to come. Nonetheless, the same properties that make these nanomaterials very attractive are a source of concern: there are questions about their potential toxicity, their long-term side effects, and their biodegradability. These questions are based on knowledge of the toxic effects of micrometric particles in air pollution and the fear that these effects will be amplified because of the nanometric size of the new materials. We present in this article a global but not exhaustive summary of current knowledge. We begin by defining lung penetration, deposition, translocation and elimination of nanoparticles. Finally, we consider the respiratory effects of metallic nanoparticles, titanium dioxide nanoparticles in particular, and carbon nanotubes. In vivo and in vitro experimental studies currently available highlight the existence of biological effects of nanoparticles on the respiratory system with generation of oxidative stress, pro-inflammatory and pro-thrombotic effects and the possible development of fibrosis and pulmonary emphysema or DNA damage. A better understanding of the potential biological effects of nanoparticles is required to implement appropriate preventive measures in the workplace and/or in the general population, if this should be necessary.

Heme oxygenase (HO1) acts against oxidants which are thought to play a major role in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). A (GT)n repeat polymorphism in the HO1 gene promoter can modulate the transcription of this gene in response to oxidative stress. We postulated that this polymorphism might be associated with the degree and decline of lung function in subjects exposed to oxidative stress (smokers). We genotyped 749 French subjects (20-44 years, 50% men, 40% never-smokers) who were examined in both 1992 and 2000 as part of the ECRHS. Lung function was assessed by measuring FEV1 (Forced Expiratory Volume in 1 second) and the FEV1/FVC (Forced Ventilatory Capacity) ratio. We compared long (L)-allele carriers ((GT)nor = 33 repeats for one or two alleles) to non-carriers. During the 8-year study period, the mean annual FEV1 and FEV1/FVC declines were -30.9 +/- 31.1 ml/year and -1.8 +/- 6.1 units/year, respectively. The FEV1/FVC decline was steeper in L-allele carriers than in non-carriers (-2.6 +/- 5.5 vs -1.5 +/- 6.4, p = 0.07). There was a strong interaction between allele L and smoking. In 2000, allele L was associated with lower FEV1 and FEV1/FVC values in heavy smokers (J20 cig/day) only (p for the interactions, 0.07 and 0.002 respectively). Baseline heavy smokers carrying allele L showed the steepest FEV1 decline (-62.0 +/- 29.5 ml/year) and the steepest FEV1/FVC decline (-8.8 +/- 5.4 units/year) (p for the interactions, 0.009 and 0.0006). These results suggest that a long (L) HO1 gene promoter increases the risk of airway obstruction in heavy smokers.

The mechanisms that lead to COPD and cause its cardiovascular complications are partially known. NO is produced at high levels by NO-synthases in the human lung with emphysema, but its role in this disease is not clear. Interestingly, COPD patients have an endothelial dysfunction linked to the decrease of NO levels in peripheral blood vessels. In a first study, we demonstrated that iNOS and eNOS were diffusely upregulated in the lung of mice with emphysema after elastase instillation. By using iNOS-/- and eNOS -/- mice and a drug-based inhibitor of iNOS (1400W), we demonstrated that the induction of iNOS in the lung was responsible of an increase of protein nitration in alveolar type 2 cells and of an alleviated oxidation of proteins. However, neither iNOS nor eNOS were required for the development of elastase-induced inflammation and emphysema. In a second study, we evaluated the effectsof polycythemia, a common complication of hypoxic lung diseases, on the endothelial function in 15 polycythemic and 13 normocythemic patients with a COPD of equal severity. Polycythemia was associated with higher blood viscosity and a larger diameter of the brachial artery but with a similar calculated wall shear stress (WSS). We studied the flow-mediated brachial arteryvasodilation and the forearm blood-flow responses to endothelium- and non-endothelium-dependent N-monomethyl-L-arginine (LNMMA) infusion by plethysmography. We demonstrated that systemic arteries in polycythemic patients adjust appropriately to chronic or acute WSS elevations by an appropriate basal and stimulated NO release. Overall, our results suggest that moderate polycythemia has no adverse effect on vascular function in COPD., Les mécanismes à l'origine de la Bronchopneumopathie Chronique Obstructive (BPCO) et de ses complications cardiovasculaires restent partiellement connus. Le NO est produit par les NO synthases en quantité importante dans le poumon des sujets emphysémateux, mais son rôle dans la maladie n'est pas connu. Une dysfonction endothéliale précoce liée à une diminution de la disponibilité en NO au niveau vasculaire a aussi été observée chez les patients BPCO. Dans un premier travail, nous avons montré que iNOS et eNOS étaient induites de manière diffuse dans le poumon de souris développant un emphysème après une instillation d'élastase. Le recours à des souris iNOS-/- et eNOS -/-, ainsi qu'à un inhibiteur pharmacologique d'iNOS (1400W) ont permis de montrer que l'induction d'iNOS dans le poumon était responsable d'une accumulation de protéines nitratées dans les pneumocytes de type 2 et d'une diminution de l'oxydation protéique. Cependant ni iNOS ni eNOS n'étaient nécessaires au développement de l'emphysème induit par l'élastase. Dans un deuxième travail, nous avons exploré l'effet de la polyglobulie, une complication de la BPCO hypoxique, sur la fonction endothéliale chez 15 patients polyglobuliques et 13 normoglobuliques atteints de BPCO de sévérité égale. La polyglobulie était associée de base à une viscosité sanguine plus élevée et un diamètre artérielbrachial plus important mais avec des forces de cisaillement calculées similaires. L'étude de la vasodilatation en réponse à l'hyperhémie et celle du flux sanguin de l'avant bras mesuré par plethysmographie d'occlusion veineuse en réponse à une perfusion d'acétylcholine (ACh), et de N-monomethyl-L-arginine (L-NMMA) ont permis de montrer que les artères systémiques despatients polyglobuliques ajustent leur diamètre aux forces de cisaillement aigues et chroniques de manière adaptée grâce à une libération adaptée de NO. De plus, nos résultats suggèrent que la polyglobulie modérée n'a pas d'effet délétère sur la fonctionvasculaire chez les patients BPCO.

The mechanisms of pulmonary emphysema, characterized by the destruction of alveolar walls, remain incompletely understood. Our hypothesis is that a deficiency in fibroblast-borne alveolar repair systems accounts partly for the constitution of lesions in this disease. In our experiments, we show that fibroblasts isolated in vitro from human emphysematous lung express the Hepatocyte Growth Factor and the Keratinocyte Growth Factor (KGF), which target alveolar epithelial and endothelial cells, at low or unstimulable levels. Additionally, emphysema fibroblasts did not increase their expression of elastin, the main component of the pulmonary extracellular matrix, in response to retinoic acid, due to a low expression of Cellular Retinoic Acid Binding Protein 2 (CRABP2). The role of KGF In alveolar homeostasis was demonstrated in vivo in the elastase-induced emphysema model: Mice treated with KGF before elastase instillation were protected against emphysema. CRABP2- knockout mice were not protected against emphysema in this model. Our pathophysiological data may help in the identification of novel therapeutic targets for emphysema.; Les mécanismes de l'emphysème pulmonaire, caractérisé par la destruction des alvéoles pulmonaire, sont incomplètement connus. L'hypothèse défendue par cette thèse est qu'une altération des systèmes d'alvéologénèse et de réparation alvéolaire portés par les fibroblastes pulmonaires contribue au développement des lésions au cours de cette maladie. Les travaux présentés ici ont permis d'établir que les fibroblastes pulmonaires cultivés in vitro à partir de poumon emphysémateux présentaient un phénotype altéré dans le sens d'une perte de leur capacité à participer à la régénération et à la réparation des alvéoles : Ces cellules sécrétaient à un niveau faible ou non stimulable le Hepatocyte Growth Factor et le Keratinocyte Growth Factor (KGF), qui ciblent les cellules épithéliales et endothéliales de l'alvéole. De plus, l'expression par ces cellules de l'élastine, le composant majeur de la matrice extracellulaire pulmonaire, n'était pas induite par l'acide tout-trans rétinoïque, stimulus central de l'alvéologénèse, du fait d'une faible expression de Cellular Retinoic Acid Binding Protein 2 (CRABP2). Le rôle du KGF dans l'homéostasie de l'alvéole a été démontré dans le modèle d'emphysème induit par l'élastase in vivo : Les souris traitées par le KGF avant l'instillation d'élastase étaient protégées de l'emphysème. Les souris dont le gène de CRABP2 était inactivé de façon globale n'étaient pas sensibilisées vis-à-vis de l'emphysème dans ce modèle. Les données physiopathologiques présentées dans ce mémoire pourraient contribuer à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques pour l'emphysème.