Les fibres élastiques sont constituées d'élastine et de microfibrilles riches en fibrilline-1, dont les mutations génétiques respectives conduisent à des pathologies cardiovasculaires graves impliquant l'apparition de sténoses (syndrome de Williams-Beuren, WBS) ou d'anévrismes (syndrome de Marfan, MS) aortiques. Nous avons étudié et comparé les effets de l'élastine (kappa-élastine, kE et tropoélastine recombinante, rTE) et des microfibrilles (MF et le fragment PF14 de la fibrilline-1) sur la signalisation dans les cellules vasculaires. Sur les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC), la kE, la rTE et les MF activent le complexe récepteur de l'élastine (ECR) et les intégrines, la production de messagers intracellulaires et, avec une efficacité variable, des canaux calciques de la membrane cellulaire et du réticulum endoplasmique, mobilisant à la fois le calcium intra- et extra-cellulaire. Les microfilaments d'actine ne sont impliqués que dans le cas de la signalisation liée à l'élastine. Toutes les protéines étudiées augmentent aussi la prolifération et l'adhésion des HUVEC, ainsi que la production ou la dégradation –à travers l'activation de métalloprotéases matricielles (MMP)- de plusieurs composés de la matrice extracellulaire. La capacité de migration des HUVEC est augmentée par la kE, rTE et PF14 alors qu'elle est diminuée par les MF. Aussi, chez le rat, ces protéines induisent une synthèse de l'oxyde nitrique (NO) par les cellules endothéliales, résultant en une vasodilatation aortique. PF14 présente de plus un pouvoir vasocontractant en absence de l'endothélium indiquant qu'il stimule aussi particulièrement les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Pour étudier ces interactions sur modèle cellulaire, un protocole de culture de CMLVs d'aorte de souris adultes, âgées, ou déficientes pour les gènes de l'élastine ou de la fibrilline-1, a été mis au point. Les protéines des fibres élastiques produisent dans ces cellules une montée du niveau de calcium intracellulaire dont les caractéristiques varient suivant la protéine, l'âge ou le génotype des animaux. Ces travaux confirment le rôle majeur de l'élastine et de la fibrilline-1 dans la régulation des fonctions des cellules vasculaires. Malgré quelques différences, les fragments d'élastine et de fibrilline-1 stimulent souvent de manière similaire les cellules vasculaires. Ceci suggère que les symptômes contradictoires observés dans les MS et WBS mettent aussi en cause des facteurs additionnels, probablement liés à d'autres signalisations, par exemple à la voie du TGF-β ou aux différences de mécanisme et de cinétique du dépôt de l'élastine et de la fibrilline-1 lors de l'assemblage des fibres élastiques. / Elastic fibres are composed of elastin and fibrillin-1 rich microfibrils, whose genetic mutations result in severe cardiovascular pathologies characterized by aortic stenosis (Williams syndrome, WS) or aneurysm (Marfan Syndrom, MS), respectively. We studied and compared the effect of elastin (kappa-elastin, kE and recombinant tropoelastin, rTE) and microfibrils (MF and PF14, fibrillin-1 fragment) on vascular cell signaling. In human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), kE, rTE and MF activated the elastin complex receptors (ECR) and integrins, the production of intracellular messengers and, with varying efficiencies, membrane and endoplasmic reticulum calcium channels, mobilizing both intra- and extra-cellular calcium. Actin microfilaments were involved only in the case of elastin signaling. All these proteins enhanced the proliferation and adhesion of HUVECs, as well as synthesis or degradation –through matrix metalloproteinanse (MMP) activation- of several extracellular matrix components. HUVEC migration was enhanced by kE, rTE and PF14 and diminished by MF. Also, in rats, these proteins induced nitric oxide (NO) synthesis by endothelial cells, resulting in aortic vasodilatation, although PF14 had an additional constrictor effect on endothelium-free aorta, indicating that PF14 also stimulates vascular smooth muscle cells (VSMCs). To study these interactions in a cellular model, we designed a new protocol to culture VSMCs from aorta of adult, aged, and elastin or fibrillin-1 knock-out mice. Elastic fibre proteins induced an increase in VSMC intracellular calcium level, which characteristics varied with the protein, age and genotype of mice. These findings confirm the major role of elastin and fibrillin-1 in the regulation of vascular cell functions. Despite some differences, elastin and fibrillin-1 often stimulated vascular cells similarly. This suggests that the onset of the contradictory features observed in MS and WS also involve additional factors, probably linked to other signaling pathways, for instance the TGF-β pathway or the differences in the mechanism and kinetic of elastin and fibrillin-1 depositions during elastic fiber assembly.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La thèse présentée porte sur la préparation de dérivés de polypeptides recombinant à base de motifs élastine (ELPs) ainsi que sur l'étude de leurs propriétés physicochimiques et biologiques. Des ELPs contenant des résidus méthionine ont été modifiés de manière chimiosélective soit en utilisant des halogénures d'alkyle ou différents époxydes, soit par oxydation des résidus méthionine. La caractérisation par RMN et par spectrométrie de masse des composés obtenus a permis de confirmer leur fonctionnalisation quantitative. L'étude de la réponse en température de ces dérivés d'ELP par des mesures de turbidité ou par des mesures de diffusion de la lumière a montré le fort impact des modifications entreprises sur la température de transition (TI) des ELPs. Il a également été montré que la n peut être modifiée par échange des contre-ions des dérivés cationiques. Enfin, des monosaccharides ont été conjugué aux ELPs contenant des groupements alcyne par cycloaddition de Huisg en afin d'obtenir des glycopolypeptides. Les propriétés thermosensibles ainsi que les propriétés biologiques de ces conjugués ont été testées et ces dernières ont permis de montrer leur capacité à se lier sélectivement à des lectines. Leur utilisation pour trier des protéines d'intérêt et les redisperser est finalement évaluée de façon préliminaire. / This thesis describes the preparation of elastin-like polypeptides (ELPs) derivatives and the study of their physico-chemical and biological properties. Methionine-containing ELPs were chemoselectively modified using either alkyl halides or epoxides or by oxidation of their methionine residues. The successful functionalization was assessed by NMR and mass spectrometry analysis of the resulting compounds. The thermoresponsive properties of these ELP derivatives were evaluated either by light scattering or by turbidity measurements showing the strong effect of these modifications on the ELPs transition temperature (TI). The counterion affect on the thermosensitivity of the polycationic derivatives was also studied. The synthesis of ELP glycopolypeptides was finally achieved by conjugating monosaccharides to the ELP alkyne derivatives through Huisgens cycloaddition. Along with the thermoresponsive properties, the bioactivity of the ELP glycoconjugates was studied and proved their ability to specifically bind lectins. Their use for protein sorting and release was preliminary evidenced.

Les fibres élastiques sont constituées d'élastine et de microfibrilles riches en fibrilline-1, dont les mutations génétiques respectives conduisent à des pathologies cardiovasculaires graves impliquant l'apparition de sténoses (syndrome de Williams-Beuren, WBS) ou d'anévrismes (syndrome de Marfan, MS) aortiques. Nous avons étudié et comparé les effets de l'élastine (kappa-élastine, kE et tropoélastine recombinante, rTE) et des microfibrilles (MF et le fragment PF14 de la fibrilline-1) sur la signalisation dans les cellules vasculaires. Sur les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC), la kE, la rTE et les MF activent le complexe récepteur de l'élastine (ECR) et les intégrines, la production de messagers intracellulaires et, avec une efficacité variable, des canaux calciques de la membrane cellulaire et du réticulum endoplasmique, mobilisant à la fois le calcium intra- et extra-cellulaire. Les microfilaments d'actine ne sont impliqués que dans le cas de la signalisation liée à l'élastine. Toutes les protéines étudiées augmentent aussi la prolifération et l'adhésion des HUVEC, ainsi que la production ou la dégradation -à travers l'activation de métalloprotéases matricielles (MMP)- de plusieurs composés de la matrice extracellulaire. La capacité de migration des HUVEC est augmentée par la kE, rTE et PF14 alors qu'elle est diminuée par les MF. Aussi, chez le rat, ces protéines induisent une synthèse de l'oxyde nitrique (NO) par les cellules endothéliales, résultant en une vasodilatation aortique. PF14 présente de plus un pouvoir vasocontractant en absence de l'endothélium indiquant qu'il stimule aussi particulièrement les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Pour étudier ces interactions sur modèle cellulaire, un protocole de culture de CMLVs d'aorte de souris adultes, âgées, ou déficientes pour les gènes de l'élastine ou de la fibrilline-1, a été mis au point. Les protéines des fibres élastiques produisent dans ces cellules une montée du niveau de calcium intracellulaire dont les caractéristiques varient suivant la protéine, l'âge ou le génotype des animaux. Ces travaux confirment le rôle majeur de l'élastine et de la fibrilline-1 dans la régulation des fonctions des cellules vasculaires. Malgré quelques différences, les fragments d'élastine et de fibrilline-1 stimulent souvent de manière similaire les cellules vasculaires. Ceci suggère que les symptômes contradictoires observés dans les MS et WBS mettent aussi en cause des facteurs additionnels, probablement liés à d'autres signalisations, par exemple à la voie du TGF-β ou aux différences de mécanisme et de cinétique du dépôt de l'élastine et de la fibrilline-1 lors de l'assemblage des fibres élastiques.

Les modèles numériques personnalisables d'organes du corps humain offrent un formidable potentiel pour évaluer le risque lésionnel dans les domaines de la sécurité des transports, du médical ou du sport. Suivant les applications, différents niveaux de détails peuvent être nécessaires. En particulier, lorsque le comportement mécanique des tissus biologiques doit être finement reproduit, les modèles de comportement doivent intégrer des considérations sur la structure du tissu, et simuler les mécanismes suivant lesquels il réagit à un chargement mécanique. Le travail de thèse présenté ici s'est focalisé sur la capsule de foie, notamment sur ses propriétés microstructurales et mécaniques, afin d'identifier les hypothèses importantes à intégrer dans la construction d'un modèle constitutif de tissu fibreux basé sur la microstructure. La méthodologie expérimentale a été mise en place afin de caractériser le comportement mécanique de ce tissu, en lien avec l'organisation de sa microstructure. Des essais de traction uniaxiale et de gonflement sous microscope confocal biphotonique ont été développés, pour observer l'évolution de la microstructure sous chargement. Des déformations macroscopiques ont été mesurées, et une méthode de mesure de champs de déformations locaux a été développée pour quantifier l'état de déformation du réseau de fibres. La réorganisation du réseau de fibre de collagène a également été quantifiée. L'analyse des liens existant entre les grandeurs mesurées à l'échelle macroscopique et ces phénomènes microscopiques est proposée, pour préciser les hypothèses à adopter dans les modèles permettant de passer de l'échelle des fibres au comportement global du tissu / Customized human body models offer a great potential to assess the injury risks in the fields of transport safety, surgery or sport. Various detail levels can then be needed, according to the targeted application. In particular, when the mechanical behavior of biological tissues needs to be accurately reproduced, numerical models have to include information about the structure of the tissue, and model the mechanisms of the response to mechanical loading. The work presented here focuses on the microstructural and mechanical characterization of the human liver capsule, in order to identify the important hypotheses that need to be included in a fibrous tissue constitutive model, based on microstructure. Thus, an experimental methodology has been developed to identify the mechanical behavior of this particular tissue, related with its microstructural organization. Uniaxial tensile tests, as well as bulge tests under a multiphoton confocal microscope have been performed, to observe the microstructure evolution during loading. Macroscopic strain has been assessed, and a method to measure local strain fields has been developed, to quantify the strain state of the fibrous network. The reorganization of the collagen fibers network has also been quantified. An analysis of the links between the measured macroscopic parameters and the microscopic phenomena is given. Therefore, the hypotheses that need to be included in constitutive models are highlighted, with particular consideration given to the affine transformation hypothesis which allows to link the fibers behavior to the global response of the tissue