Mise en évidence de biomarqueurs des cellules souches de la gelée de Wharton par modélisation dynamique des flux métaboliques : l'impact du vieillissement cellulaire

Le système immunitaire, garant de la santé d'un organisme, est composé d'un ensemble de cellules aux fonctions diverses qui régulent et participent à la réponse immunitaire. Il est maintenant bien connu, grâce aux diverses études sur les cellules cancéreuses, que certains mécanismes cellulaires sont programmés pour inhiber la réponse immunitaire, un phénomène appelé immunosuppression. Le contrôle de ce phénomène d'immunosuppression pourrait donc conduire à des progrès importants pour le traitement de diverses maladies et pathologies en plus du cancer, par exemple en empêchant les rejets de greffes ou en limitant l'impact des maladies auto-immunes. La thérapie cellulaire, avec l'injection de cellules ayant des propriétés immunosuppressives, semble donc une approche thérapeutique hautement prometteuse. En effet, certaines cellules souches ont montré une grande capacité à acquérir des propriétés immunosuppressives dans des conditions de culture spécifiques. Parmi elles, les cellules souches mésenchymateuses de la gelée de Wharton (WJMSC) ont également la qualité d'être récupérables d'une manière non invasive à partir du cordon ombilical. Cependant, la caractérisation des propriétés immunosuppressives des cellules ne peut être effectuée que par des manipulations coûteuses et longues, et le maintien de ces propriétés après injection reste aléatoire. Puisque le temps joue contre la construction de thérapies cellulaire robustes, il est nécessaire de mettre en place de nouveaux outils permettant de caractériser rapidement le caractère immunosuppressif des cellules et de mieux contrôler (par exemple, maintenir) le phénotype d'intérêt des cellules post-injection. Parmi les plates-formes omics récentes, l'étude du métabolisme cellulaire semble appropriée pour caractériser les propriétés immunosuppressives des cellules WJMSC et devrait mettre en évidence de nouveaux biomarqueurs de l'évolution du phénotype des WJMSC. En effet, le métabolome cellulaire est à l'interface entre le génome et le protéome, tous deux, déterminant le phénotype cellulaire. Compte tenu de la complexité du métabolisme, il est nécessaire de mettre en oeuvre des techniques informatiques pour l'analyse rapide des dynamiques des réactions enzymatiques intracellulaires du réseau. Pour répondre à la nécessité d'une meilleure caractérisation du phénotype des WJMSC, l'objectif de cette étude est d'identifier les biomarqueurs du caractère immunosuppressif des cellules souches de la gelée de Wharton. Ainsi, étant donné que les WJMSC perdent leurs propriétés immunosuppressives avec le nombre de passage cellulaire, une comparaison des cellules à nombre de passages faible et élevé a été effectuée. Cependant, le biais potentiel associé à la sénescence avancée des cellules à haut passage se devait d'être d'abord envisagé. Le présent travail met donc l'accent sur la comparaison des WJMSC à faible et à haut passage, non immunosuppressives, en développant deux modèles cinétiques permettant de simuler le métabolisme des cellules aux différents âges. La structure du réseau métabolique étudié est basée sur un travail de modélisation antérieur, effectué sur des cellules de mammifères, qui a été complété par l'ajout de voies métaboliques spécifiquement impliquées dans le phénomène d'immunosuppression. Par conséquent, l'analyse des cultures des WJMSC à passages faible (4 passages) et élevé (9 passages), a conduit à un premier modèle cinétique décrivant le comportement moyen des cellules. Par la suite, les paramètres sensibles de ce modèle ont été mis en évidence par analyse de leur impact sur l'erreur de simulation globale du modèle. Enfin, en modifiant ces paramètres sensibles uniquement, deux modèles ont été développés décrivant distinctement le métabolisme des cellules de passage faible et élevé. La comparaison des deux modèles a fourni des informations précieuses sur les flux de réaction et les comportements des concentrations de métabolites, ce qui a permis d'identifier des biomarqueurs distincts. Nous montrons ainsi clairement que le nombre de passages cellulaires conduit à une croissance cellulaire plus lente ainsi qu'à une demande énergétique accrue des cellules. En atteignant un nombre de passage élevé, les cellules réorientent principalement leur flux glycolytique vers le cycle TCA et produisent moins de lactate, ont un taux de renouvellement d'ATP plus élevé et produisent leur ATP principalement par phosphorylation oxydante (c'est-à-dire par respiration cellulaire) au lieu de la glycolyse. Au contraire, les cellules à faible passage utilisent principalement la glycolyse pour répondre à leurs besoins énergétiques, ont un cycle de l'urée plus actif et présentent une plus grande consommation de tryptophane, ce qui suggère que les cellules à faible passage non immunosuppressives expriment encore certaines de leurs propriétés originales immunosuppressives. Par conséquent, à partir du développement d'un modèle cinétique, nous avons été capables d'identifier des biomarqueurs de l'effet du passage cellulaire pour les cellules souches de la gelée de Wharton. Ces nouvelles connaissances pourront être utiles pour les futures études sur les WJMSC, afin d'identifier spécifiquement des biomarqueurs du caractère immunosuppressif des cellules, tout en prenant en compte l'effet du passage cellulaire conduisant à la sénescence des cellules. Ce travail pourra également être utile pour étudier d'autres types de cellules souches.

Abstract

The immune system, which guarantees the health of an organism, is composed of a set of cells with various functions that participate and regulate the immune response. It is now also well known, from various studies on cancer cells, that some specific cellular mechanisms are programmed to inhibit the immune response, a phenomenon called immunosuppression. The control of the immunosuppression phenomenon could thus lead to major advances for treating various diseases and pathologies in addition to cancer, for instance, by preventing grafts versus host diseases or by limiting the impact of autoimmune diseases. Cell therapy, with the injection of cells having immunosuppressive properties, thus seems a highly promising therapeutic approach. Indeed, some stem cells have showed a high capacity of acquiring immunosuppressive properties under specific culture conditions. Among stem cells with these properties, Wharton's jelly mesenchymal stem cells (WJMSC) also have the quality of being recoverable from the umbilical cord in a non-invasive manner. However, the characterization of the immunosuppressive properties of the cells can only be carried out performing costly and time-consuming manipulations, and the maintain of these stem cells properties after injections remains hazardous. Since time plays against building robust cell injection therapies, it is therefore necessary to set up new tools allowing to rapidly characterize cells immunosuppressive character and to better control (e.g. maintain) the phenotype of interest of post-injection cells. Among recent omics platforms, the study of cell metabolism seemed appropriate to characterize WJMSC cells immunosuppressive traits, and expected to bring new candidate biomarkers of WJMSC phenotype evolution. Indeed, the cell metabolome is at the interface between the genome and the proteome, both determining cell phenotype. Given the complexity of the metabolism, it was necessary to implement computer techniques for the rapid analysis of intracellular enzymatic reactions network dymamics. To address this issue of better characterizing WJMSCs phenotype, the objective of this study was to identify biomarkers of immunosuppressive characters of Wharton's jelly stem cells. Thus, since WJMSCs lose their immunosuppressive properties with the cell passage number, a comparison of low and high passages number cells was performed. However, the potential bias associated with advanced senescence of high passage cells has to be considered first. The present work therefore focus comparing low and high passage WJMSC, both non-immunosuppressive, developing a kinetic model to simulate both cells age metabolism. The structure of the metabolic network studied was based on previous modeling work carried out on mammalian cells and supplemented by the addition of metabolic pathways specifically involved in the immunosuppression phenomenon. Therefore, analysing WJMSC cultures at different passages, at low (4 passages) and high (9 passages), a first kinetic model was developed, describing the average behavior of the cells. Then the sensitive parameters of this model were highlighted analysing the global simulation error of the model. Finally, by modifying these sensitive parameters only, two models have been developed describing distinctively cells metabolism of low and high passage. Comparing the two models provided valuable information on reaction fluxes and metabolites concentrations behaviours, and thus allowed identifying distinct biomarkers. We thus here clearly show that the number of cell passages leads to a slower cell growth as well as a higher cell energetic demand. Reaching high passage number, cells mainly redirect a glycolytic flow towards the TCA cycle and produce less lactate, have a higher ATP turnover rate and produce their ATP mostly via oxidative phosphorylation (i.e. cellular respiration) instead of glycolysis. On the contrary, low passage cells mainly use glycolysis to meet their energy needs, have a more active urea cycle and show a greater consumption of tryptophan, both phenomena which suggest that non-immunosuppressive low passage cells still express some of their immunosuppressive original properties. Therefore, from the development of a kinetic model, we have been able to identify biomarkers of the passage effect for Wharton's jelly stem cells. This new knowledge can be useful in future studies on WJMSCs, to specifically identify biomarkers of the cells immunosuppressive character while accounting for the passage effect which leads to cell senescence. The work can also be useful to studying other stem cells.