Étude du remodelage épithélial dans l’asthme sévère par approche de séquençage sur cellule unique

Abstract

Introduction

Dans l’asthme, l’épithélium des voies respiratoires est l’objet d’une inflammation chronique conduisant à un remodelage qui se caractérise par une diminution des cellules multiciliées et une hyperplasie des cellules à mucus. Ce remodelage peut être induit par l’interleukine 13 (IL-13) dans l’asthme de type 2, mais les effets de cette cytokine sur des épithéliums de donneurs sains et d’asthmatiques sévères n’ont encore jamais été comparés. De plus, les événements cellulaires et moléculaires permettant la régénération de l’épithélium dans ce contexte restent inexplorés. Ainsi, l’objectif de cette étude était d’identifier les acteurs clés du remodelage pathologique de l’épithélium des voies respiratoires dans l’asthme sévère.

Méthodes

L’étude a porté sur des épithéliums reconstitués in vitro, dans un modèle de culture à interface air-liquide, à partir de biopsies bronchiques issues de donneurs sains ou souffrant d’asthme sévère. Après 8 (J₈) ou 22 jours (J₂₂) de traitement apical par IL-13, les épithéliums ont été analysés par imagerie confocale et séquençage d’ARN sur cellule unique. Une deuxième mesure a été réalisée deux semaines après retrait de l’IL-13 afin de mimer la résolution de l’inflammation locale. L’implication de deux gènes dans le remodelage épithélial a été plus particulièrement étudiée après leur invalidation par CRISPR-Cas9 et analyse par séquençage d’ARN sur cellule unique.

Résultats

Plus de 260 000 cellules issues de 9 donneurs sains et 11 donneurs asthmatiques sévères ont été étudiées. Les épithéliums d’asthmatiques sévères ont présenté, à l’état de base, une hyperplasie des cellules basales et un défaut de différenciation cellulaire avec l’expression luminale des kératines KRT5, KRT6A et KRT16. L’IL-13 a induit, dans les épithéliums d’asthmatiques sévères, un remodelage en deux temps avec initialement (J₈) une hyperplasie des cellules à mucus, suivie d’une hyperplasie des cellules basales à J₂₂. Deux semaines après le retrait de l’IL-13, les capacités de récupération entre les cellules saines et les cellules d’asthmatiques sévères sont apparues similaires. Des analyses de suivi par microscopie confocale et d’inférence de trajectoires cellulaires ont identifié une population de cellules hybrides exprimant à la fois des marqueurs de cellules multiciliées (FOXJ₁) et de cellules à mucus (SPDEF), dont l’origine semble être les cellules multiciliées. Notre analyse transcriptomique a dressé une liste de gènes susceptibles de réguler le remodelage épithélial. L’effet de l’invalidation par CRISPR-Cas9 de deux de ces gènes, EHF et GATA3, a été évalué par séquençage d’ARN sur cellule unique.

Conclusion

Cette étude met en évidence des défauts de différenciation des cellules épithéliales d’asthmatiques sévères à l’état de base avec une surexpression de marqueurs basaux et des processus distincts du remodelage sous l’effet de l’IL-13. L’identification de cellules hybrides FOXJ₁ + SPDEF+ suggère une contribution possible d’évènements de transdifférenciation cellulaire à la dérégulation de la composition et de la fonction du tissu.