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Theranostics 10(21), 9512-9527 (2020). doi:10.7150/thno.44394, Published by Ivyspring, Wyoming, NSW

European journal of pharmacology 816, 14-24 (2017). doi:10.1016/j.ejphar.2017.10.005, Published by Elsevier, New York, NY [u.a.]

Worldwide, cardiometabolic diseases (e.g., cardiovascular disease (CVD), diabetes, and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD)) have acquired almost epidemic proportions in the past few decades due to the widespread adoption of a western lifestyle. They compromise heart and liver functions and underlie the two main causes of death worldwide, ischemic heart disease and stroke. The development of these diseases is characterized by lipid accumulation, inflammatory responses, and metabolic dysfunction in the arterial wall (a process referred to as atherosclerosis) and liver (“fatty liver disease” or NAFLD). For both, macrophages and their precursors, monocytes, are important contributors. The rapid development in high-throughput and imaging technologies have enabled researchers to detect profiles of genes, proteins, and metabolites within individuals and cells. These techniques are increasingly applied to study cardiometabolic diseases. However, their potential to explore the pathogenesis has not been fully exploited. This thesis analysed high-dimensional omics and imaging data of plaque and liver through a combination of computational strategies including statistical inference, machine learning and image processing, to dissect the pathogenesis of atherosclerosis and NAFLD at the molecular and spatial level.

Atherosclerosis is a chronic inflammation linked to the retention of oxidized LDL on the surface of the arterial wall leading to the formation of so-called "atherosclerotic" plaques prone to rupture and to further cardiovascular events (stroke, heart attack, pulmonary embolism). Macrophages infiltrate the arterial wall, phagocytose oxidized LDL and become foamy. They are therefore particularly involved in the formation of these plaques and their evolution towards rupture. This thesis focuses on the development of a pathophysiological model of foamy macrophages in order to develop new diagnostic and therapeutic strategies targeting this population. Human primary macrophages were stimulated with oxidized LDL as well as a pool extract of human carotid atheromatous plaques, to mimic the pathological microenvironment. We have thus demonstrated that these foamy macrophages coexpress on their surface the inflammatory markers CD40, CD86 and CD197, and the immunoregulatory markers CD163, CD206 and CD200R, but with a basal level. We then focused on their functional characterization by analyzing naturally autofluorescent NADH and FAD energy metabolism intermediates, using two-photon fluorescence microscopy. These enzymatic cofactors are produced differentially depending on the metabolic pathways used by the cells (glycolysis for M1, mitochondrial respiration for M2). We have shown that M1, M2 and our model of foamy macrophages, are optically distinguishable under two-photon microscopy. These results allow us to consider the development of new in vivo diagnostic devices based on optical imaging for monitoring the metabolic cellular activity of macrophages. In addition, we have obtained, by phage-display technology, human antibodies that will be useful to further characterize this model and for the development of new strategies for patient stratification and immunotherapy. For this, the metabolic differences of the macrophage subpopulations observed in two-photon microscopy will be used to develop a functional assay allowing the selection of antibodies capable of restoring an atheroprotective function (induction of immunoregulation or cholesterol efflux).; L’athérosclérose est une inflammation chronique liée à la rétention de LDL oxydées à la surface de la paroi des vaisseaux artériels conduisant à la formation de plaques dites « athérosclérotiques » susceptibles de se rompre et de conduire à des accidents cardiovasculaires (AVC, infarctus, embolies pulmonaires). Les macrophages, après avoir infiltré la paroi des artères, phagocytent les LDL oxydées et deviennent spumeux. Ils sont donc particulièrement impliqués dans la formation de ces plaques et leur évolution vers la rupture. Cette thèse porte sur la mise au point d’un modèle physiopathologique de macrophages spumeux de manière à développer de nouvelles stratégies de diagnostic et de thérapie ciblant cette population. Pour cela, des macrophages primaires humains ont été stimulés avec des LDL oxydées ainsi qu’un extrait de pool de plaques d’athérome carotidiennes humaines, de manière à mimer le microenvironnement pathologique. Nous avons ainsi mis en évidence que ces macrophages spumeux coexpriment à leur surface les marqueurs inflammatoires CD40, CD86 et CD197, et les marqueurs immunorégulateurs CD163, CD206 et CD200R, mais avec un niveau basal. Nous avons ensuite abordé leur caractérisation fonctionnelle par l’observation, en microscopie de fluorescence bi-photonique, d’intermédiaires du métabolisme énergétique naturellement autofluorescents : le NADH et le FAD. Ces cofacteurs enzymatiques sont produits différentiellement selon les voies métaboliques empruntées par les cellules (glycolyse pour les M1, respiration mitochondriale pour les M2). Nous avons montré que les M1, les M2 et notre modèle de macrophages spumeux, sont distinguables optiquement en microscopie bi-photonique. Ces résultats permettent d’envisager le développement de nouveaux dispositifs de diagnostic in vivo basés sur l’imagerie optique de l’activité cellulaire métabolique des macrophages. Par ailleurs, nous avons obtenu, par la technologie de phage-display, des anticorps humains qui seront utiles à la poursuite de la caractérisation de ce modèle et pour le développement de nouvelles stratégies de stratification des patients et d’immunothérapie. Pour cela, les différences métaboliques des sous-populations macrophagiques observées en microscopie bi-photonique seront mises à profit pour l’élaboration d’un test fonctionnel permettant de sélectionner les anticorps capables de restaurer une fonction athéroprotective (induction d’une immunorégulation ou de l’efflux de cholestérol).