La compréhension des mécanismes physiologiques mis en jeu en réponse à l’hypoxie aigüe et chronique ainsi que leur retentissement global sur l’énergétique cardiaque nécessite l’application d’approches globales. L’approche intégrative développée par notre équipe, l’Analyse Modulaire du Contrôle (MoCA) permet une description quantitative de l’ensemble des interactions au sein d’un système biologique complexe décomposé en différents modules liés par des intermédiaires communs, ce qui en fait un outil puissant pour l’étude des interactions au sein de l’énergétique cardiaque, normale ou pathologique. Dans cette thèse, MoCA a été appliquée sur des coeurs isolés de souris contrôles et de souris soumises à une hypoxie chronique de 21 jours, perfusés en conditions d’oxygénation normale ou avec un milieu dont la concentration en oxygène dans le milieu a été réduite. Après exposition à l’hypoxie chronique, les coeurs sont caractérisés par une réponse (élasticité) plus importante des processus d’apport en énergie face à une variation des intermédiaires énergétiques (PCr, ATP, Pi), et ceci malgré une diminution de la masse mitochondriale. De plus, contrairement aux coeurs sains, aucune modi?cation de l’activité contractile et de la concentration d’intermédiaires énergétiques n’a été mesurée sur les coeurs hypoxiques après diminution de la concentration en oxygène dans le milieu de perfusion. Ces résultats suggèrent une adaptation fonctionnelle de l’ensemble de la bioénergétique cardiaque après exposition à l’hypoxie chronique, l’augmentation de l’élasticité des processus d’apport en énergie permettant de compenser en partie les altérations énergétiques induites par un dé?cit en oxygène. / An important issue in the comprehension of the link between molecular events developed in pathologies such as chronic hypoxia adaptation, is the development of new experimental strategies aimed at the study of the integrated organ physiology. Our Modular Control Analysis (MoCA), gives quantitative information on the internal control and regulation of integrated heart energetics on the basis of a supply-demand system and is therefore of particular interest to better understand the overall effect as well as the relative importance of the various modi?cations developed during pathologies. In this thesis, MoCA was applied on isolated hearts of control and chronic hypoxic mice perfused with high or low oxygen in the medium. Despite a severe mitochondrial alteration after chronic hypoxia exposure, a surprizing higher response of energy supply (elasticity) to energetic intermediates changes (PCr, ATP, Pi) was detected in chronic hypoxic hearts. Moreover, chronic hypoxic hearts energetics was unchanged by oxygen reduction while a strong concomitant decrease in heart contractile activity and in PCr concentration, was measured in control hearts. As suggested by these results, this increase in energy-supply elasticity could be considered as an adaptive mechanism developed after chronic hypoxia counteracting hypoxia-induced altered cardiac energetics.

Bien que le changement dans le choix des substrats énergétiques des acides gras (AGs) vers les glucides soit considéré comme bénéfique pour le cœur insuffisant, il n’est pas clair à savoir pourquoi les patients atteints de désordres de la β-oxydation (β-OX) des AGs à chaîne longue (AGCLs) développent des troubles du rythme et des cardiomyopathies. De plus, le traitement actuel ne permet pas de prévenir l’apparition du phénotype clinique chez tous les patients, spécifiquement en condition de jeûne ou de stress. Ainsi, plusieurs modèles de souris déficientes pour des enzymes impliquées dans l’oxydation des acides gras ont été développés de manière à améliorer les connaissances de la maladie ainsi que les traitements offerts aux patients. À cet égard, cette étude vise à évaluer le phénotype métabolique et fonctionnel des cœurs de souris déficientes pour le récepteur activé de la prolifération des peroxysomes-α (PPARα), un facteur de transcription des gènes impliqués notamment dans la β-OX des AGs, et pour la déshydrogénase des acyl-CoA à très longue chaîne (very-long chain acyl-CoA dehydrogenase, VLCAD), le déficit de l’oxydation des AGCLs le plus commun chez l’humain. L’approche expérimentale utilisée comprend plusieurs techniques dont (i) la perfusion ex vivo de cœur de souris au travail combinée à l’utilisation de substrats marqués au carbone 13 (13C) et à l’analyse par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GCMS), (ii) l’analyse de l’expression génique par qPCR et (iii) l’analyse de l’activité électrique du cœur in vivo par télémétrie. De manière inattendue, les résultats de cette étude menée chez la souris ont permis de mettre en évidence que des déficits pour des protéines impliquées dans l’oxydation des AGCLs sont associés à des altérations du métabolisme (i) des glucides, (ii) des AGs polyinsaturés (AGPIs), et (iii) mitochondrial, incluant l’anaplérose, en plus d’être liés à des désordres de la fonction électrique du cœur, à savoir une prolongation du segment QTc. Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse pourraient servir à l’élaboration de nouvelles interventions métaboliques destinées à améliorer les traitements possibles et donc, la qualité de vie des patients atteints de désordres héréditaires de la β-OX des AGCLs. / While a shift from fatty acids to carbohydrate is considered beneficial for the failing heart, it is unclear why patients with fatty acid oxidation disorders present clinical manifestations such as cardiomyopathy, arrhythmia and conduction defects. Unfortunately, the current nutritional treatment for these patients is limited in its ability to prevent these symptoms, especially under fasting and stress conditions. Many mouse models of fatty acid oxidation deficiency have been developed to improve the knowledge of the disease and the treatment of these patients. In this regard, this study aims to characterize the metabolic and functional phenotype of hearts from mice that are deficient for the peroxisome proliferator-activated receptor α, a transcription factor for gene involved in fatty acid oxidation, and very long chain acyl-CoA dehydrogenase, the most common inherited long chain fatty acid oxidation disorder in human, under various conditions. In this study, numerous approaches have been used, which includes validated experimental paradigms, namely, (i) ex vivo heart perfusion in the working mode with concomitant evaluation of myocardial contractility and metabolic fluxes, employing 13C-labeled substrates combined with mass isotopomer analysis by gas chromatography coupled to mass spectrometry, (ii) gene expression analysis by qPCR and (iii) electrocardiogram monitoring in vivo by telemetry. Unexpectedly, results from the present thesis demonstrate that fatty acid oxidation disorders cause alterations in metabolism of (i) carbohydrates (ii) polyunsaturated fatty acids of the omega-3 type, specifically docosahaexanoic acid, and (iii) mitochondria including anaplerosis, in addition to lead to functional abnormalities, namely a prolongation of the QT interval. Altogether, results from this thesis could contribute to new metabolic therapy development to improve the quality of life of the patients with inherited long chain fatty acid oxidation disorder.

Bien que le changement dans le choix des substrats énergétiques des acides gras (AGs) vers les glucides soit considéré comme bénéfique pour le cœur insuffisant, il n’est pas clair à savoir pourquoi les patients atteints de désordres de la β-oxydation (β-OX) des AGs à chaîne longue (AGCLs) développent des troubles du rythme et des cardiomyopathies. De plus, le traitement actuel ne permet pas de prévenir l’apparition du phénotype clinique chez tous les patients, spécifiquement en condition de jeûne ou de stress. Ainsi, plusieurs modèles de souris déficientes pour des enzymes impliquées dans l’oxydation des acides gras ont été développés de manière à améliorer les connaissances de la maladie ainsi que les traitements offerts aux patients. À cet égard, cette étude vise à évaluer le phénotype métabolique et fonctionnel des cœurs de souris déficientes pour le récepteur activé de la prolifération des peroxysomes-α (PPARα), un facteur de transcription des gènes impliqués notamment dans la β-OX des AGs, et pour la déshydrogénase des acyl-CoA à très longue chaîne (very-long chain acyl-CoA dehydrogenase, VLCAD), le déficit de l’oxydation des AGCLs le plus commun chez l’humain. L’approche expérimentale utilisée comprend plusieurs techniques dont (i) la perfusion ex vivo de cœur de souris au travail combinée à l’utilisation de substrats marqués au carbone 13 (13C) et à l’analyse par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GCMS), (ii) l’analyse de l’expression génique par qPCR et (iii) l’analyse de l’activité électrique du cœur in vivo par télémétrie. De manière inattendue, les résultats de cette étude menée chez la souris ont permis de mettre en évidence que des déficits pour des protéines impliquées dans l’oxydation des AGCLs sont associés à des altérations du métabolisme (i) des glucides, (ii) des AGs polyinsaturés (AGPIs), et (iii) mitochondrial, incluant l’anaplérose, en plus d’être liés à des désordres de la fonction électrique du cœur, à savoir une prolongation du segment QTc. Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse pourraient servir à l’élaboration de nouvelles interventions métaboliques destinées à améliorer les traitements possibles et donc, la qualité de vie des patients atteints de désordres héréditaires de la β-OX des AGCLs. / While a shift from fatty acids to carbohydrate is considered beneficial for the failing heart, it is unclear why patients with fatty acid oxidation disorders present clinical manifestations such as cardiomyopathy, arrhythmia and conduction defects. Unfortunately, the current nutritional treatment for these patients is limited in its ability to prevent these symptoms, especially under fasting and stress conditions. Many mouse models of fatty acid oxidation deficiency have been developed to improve the knowledge of the disease and the treatment of these patients. In this regard, this study aims to characterize the metabolic and functional phenotype of hearts from mice that are deficient for the peroxisome proliferator-activated receptor α, a transcription factor for gene involved in fatty acid oxidation, and very long chain acyl-CoA dehydrogenase, the most common inherited long chain fatty acid oxidation disorder in human, under various conditions. In this study, numerous approaches have been used, which includes validated experimental paradigms, namely, (i) ex vivo heart perfusion in the working mode with concomitant evaluation of myocardial contractility and metabolic fluxes, employing 13C-labeled substrates combined with mass isotopomer analysis by gas chromatography coupled to mass spectrometry, (ii) gene expression analysis by qPCR and (iii) electrocardiogram monitoring in vivo by telemetry. Unexpectedly, results from the present thesis demonstrate that fatty acid oxidation disorders cause alterations in metabolism of (i) carbohydrates (ii) polyunsaturated fatty acids of the omega-3 type, specifically docosahaexanoic acid, and (iii) mitochondria including anaplerosis, in addition to lead to functional abnormalities, namely a prolongation of the QT interval. Altogether, results from this thesis could contribute to new metabolic therapy development to improve the quality of life of the patients with inherited long chain fatty acid oxidation disorder.