Novel insights into the role of fetal hemoglobin in spleen function, red cell survival and ineffective erythropoiesis in sickle cell disease
Rôle de l’hémoglobine fœtale dans la fonction splénique, la survie des globules rouges et la dysérythropoïèse dans la drépanocytose
Résumé
Sickle cell disease (SCD) is caused by a single point mutation in the β-globin gene generating sickle hemoglobin (HbS). Hypoxia drives HbS polymerization that is responsible for red blood cell (RBC) sickling and reduced deformability. In SCD, splenic dysfunction results in life-threatening complications, particularly in early childhood. During the course of the disease, the spleen functionally declines and anatomically disappears, although with great individual variability depending on modulating genetic and environmental factors. The key modulator of disease severity is fetal hemoglobin (HbF), as the presence of HbF inhibits HbS polymerization, thus delaying and preventing severe complications, ameliorating patients’ quality of life and increasing survival. There is a rather well characterized hetero cellular concentration of HbF and distribution in circulating RBCs but the role of HbF during erythropoiesis, is poorly documented. With the aim of better understanding the role of HbF in spleen function, red cell survival and ineffective erythropoiesis we investigated 1) the natural history of spleen dysfunction in SCD children, 2) the cellular expression and distribution of HbF in SCD children, in untreated patients and patients treated with Hydroxycarbamide and 3) ineffective erythropoiesis and the role of HbF during terminal erythropoiesis.We developed a flow cytometry high-throughput method to measure splenic filtration function and showed that splenic loss of function is present very early in life at 3-6 months in SCD children and further declines with age. We also highlighted that irreversibly sickled cells (ISCs) are a potential contributor to acute splenic sequestration (ASS) which in turn results in further loss of splenic function. In the second part of this work, we set up an original approach to determine HbF distribution per cell. Using a longitudinal cohort of patients treated with hydroxycarbamide (HC - an inducer of HbF), we showed that HC has a global positive impact on RBCs, by not only increasing HbF content but also by increasing the volume of all RBCs independent of HbF. We moreover showed that High F-cells are a more precise marker of HC efficacy. In the last part of the thesis, we showed for the first time clear evidence of ineffective erythropoiesis in SCD and revealed a new role of HbF during terminal erythropoiesis protecting erythroblasts from apoptosis. In conclusion, this work shows that HbF has an additional beneficial effect in SCD by not only conferring a preferential survival of F-cells in the circulation but also by decreasing ineffective erythropoiesis. Importantly, it suggests that the delay in hemoglobin switch in SCD might be also due to an enrichment in F-erythroblasts during terminal erythroid differentiation occurring very early in infancy, shortly after birth.
La drépanocytose est une maladie génétique héréditaire récessive causée par la substitution d'un acide aminé dans la chaîne β-globine aboutissant à la production d'hémoglobine anormale (HbS). Dans des conditions hypoxiques, l’HbS polymérise entraînant une falciformation et une perte de déformabilité des globules rouges (GR). Au cours de la drépanocytose, le dysfonctionnement splénique entraîne des complications potentiellement mortelles, en particulier chez les jeunes enfants. Généralement, une asplénie fonctionnelle précède la survenue d’une asplénie anatomique avec cependant une grande variabilité inter-individuelle du fait de facteurs modulateurs génétiques et environnementaux. L’hémoglobine fœtale (HbF) est le principal modulateur de la gravité de la maladie, car la présence d’HbF inhibe la polymérisation d’HbS, retardant et prévenant ainsi les complications graves, améliorant la qualité de vie des patients et augmentant leur survie. Il existe une hétérogénéité assez bien caractérisée de la concentration et de la distribution cellulaire d'HbF dans les GR circulants, mais le rôle de l'HbF au cours de l'érythropoïèse est mal documenté.Dans le but de mieux comprendre le rôle de l’HbF dans la perte de fonctionnalité splénique, la survie des GR et l'érythropoïèse inefficace, nous avons étudié 1) l'histoire naturelle du dysfonctionnement splénique chez les enfants drépanocytaires, 2) l'expression cellulaire et la distribution de l'HbF comparativement chez les enfants, chez les patients naïfs et ceux traités par hydroxycarbamide (HC) et 3) le rôle de l'HbF au cours de l'érythropoïèse terminale.Nous avons d’abord développé une méthode de cytométrie en flux à haut débit pour mesurer la fonction de filtration splénique et avons montré que la perte de fonction splénique est présente très tôt dans la vie, dès 3 à 6 mois chez les enfants drépanocytaires, puis diminue avec l'âge. Nous avons également mis en évidence que les cellules irréversiblement falciformées (ISC) jouaient un rôle dans la survenue de la séquestration splénique aiguë, laquelle entraîne à son tour une perte supplémentaire de fonction. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons mis en place une approche originale pour déterminer la distribution d'HbF à l’échelle cellulaire. En utilisant une cohorte longitudinale de patients traités par HC (inducteur d'HbF), nous avons montré que celui-ci avait un impact positif global sur les GR, en augmentant non seulement le contenu en HbF, mais également le volume de tous les GR, indépendamment de leur contenu en HbF. Nous avons par ailleurs montré que les cellules riches en HbF (High-F) étaient un marqueur précis d’efficacité de l'HC. Dans la dernière partie de la thèse, nous avons démontré pour la première fois une érythropoïèse inefficace chez les patients drépanocytaires et avons révélé un nouveau rôle de l'HbF au cours de l'érythropoïèse terminale, celui de protéger les érythroblastes de l'apoptose.En conclusion, ce travail montre que l'HbF a un effet bénéfique supplémentaire sur la drépanocytose en conférant non seulement une survie préférentielle des cellules F dans la circulation, mais en diminuant également l'érythropoïèse inefficace. Ce résultat suggère que la persistance d’HbF dans la drépanocytose serait davantage la conséquence d’un enrichissement en F-érythroblastes au cours de la différenciation érythroïde terminale survenant peu après la naissance plutôt qu’un retard du switch des hémoglobines.
Origine : Version validée par le jury (STAR)