La surexploitation des ressources de la planète est aujourd’hui une problématique de premier ordre, et fait du remplacement des sources non renouvelables, d'énergie et de matières premières, l’un des défis majeurs du XXIe siècle. Dans cet objectif, les lignines, par leur disponibilité et leur biocompatibilité, apparaissent comme l’une des alternatives aux ressources fossiles. C’est dans ce contexte que le Laboratoire PEIRENE a décidé de mener ce travail de thèse portant sur le développement de nouveaux matériaux photosensibles à base de lignines modifiées. Dans ce but, trois lignines d’origines différentes ont été acétylées. Leur étude par spectroscopie RPE a révélé que le blocage de leurs fonctions antioxydantes augmente considérablement la quantité d’espèces réactives de l’oxygène qu’elles sont capables de générer sous irradiation lumineuse, permettant ainsi d’envisager l’utilisation de ce biopolymère modifié dans de nombreux domaines tels que le traitement photodynamique antimicrobien. Afin de les rendre hydrodispersibles et d’élargir ainsi leur champ d’applications, ces matériaux aux propriétés prometteuses ont été mis sous forme de nanoparticules puis, leur comportement photosensible a été lui aussi évalué par spectroscopie RPE. Il a ainsi été démontré qu’une fois dispersées dans l’eau sous la forme de nanoparticules, les lignines acétylées étaient toujours capables de produire de l’oxygène singulet sous irradiation lumineuse. Cette activité, qui n’a pas encore été reportée dans la littérature à notre connaissance, reste cependant assez restreinte et nécessite donc d’être améliorée. Afin d’élargir le domaine du spectre solaire permettant leur activation, un photosensibilisateur a par ailleurs été associé à ces nano-objets par encapsulation et par greffage covalent. L’ensemble des résultats découlant de ces travaux permettent d’envisager le développement de systèmes à base de nanoparticules de lignines acétylées dans de nombreux domaines, notamment pharmaceutique et phytosanitaire. / The overexploitation of the planet's resources is nowadays a major problem and makes the replacement of non-renewable sources of energy and raw materials, one of the major challenges of the XXIe century. For this purpose, lignins, by their availability and their biocompatibility, appear as one of the alternatives to fossil resourcesIn this context, the PEIRENE Laboratory decided to carry out this PhD work on the development of new photosensitive materials based on modified lignins. For this purpose, three lignins from different origin were acetylated. Their study by EPR spectroscopy revealed that blocking their antioxidant functions considerably increases the quantity of reactive oxygen species they are able to generate under light irradiation. Thus it is possible to envisage the use of this modified biopolymer in many areas such as antimicrobial photodynamic therapy. In order to make them water-dispersible and thus to widen their field of applications, these materials with promising properties were put in the form of nanoparticles. Their photosensitive behavior has been also valuated by EPR spectroscopy. It has been demonstrated that once dispersed in water in the form of nanoparticles, the acetylated lignins were still capable of producing singlet oxygen under light irradiation. This activity, which has not yet been reported in the literature to our knowledge, however, remains quite limited and therefore needs to be improved. In order to widen the range of the solar spectrum allowing their activation, a photosensitizer has also been associated with these nano-objects by encapsulation and covalent grafting. The results of these studies make possible to envisage the development of systems based on acetylated lignins nanoparticles in in many field, in particular pharmaceutical and phytosanitary.

Les jonctions communicantes jouent un rôle important dans la prolifération et la réactivité vasculaire systémique. Dans cette étude, nous avons recherché le rôle de ces structures dans la paroi artérielle pulmonaire saine et dans l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). L’HTAP est une pathologie de la circulation pulmonaire caractérisée par une prolifération cellulaire pathologique et une hyperréactivité à divers agonistes vasoconstricteurs tels que la sérotonine (5-HT). Dans la paroi artérielle pulmonaire de rats sains les protéines constituant les jonctions communicantes vasculaires (les connexines 37, 40 et 43) sont présentes. De plus, la connexine 43 située au niveau de la jonction myoendothéliale (JME) intervient dans la réactivité à la 5-HT. La 5-HT produit par ailleurs, (1) de l’anion superoxyde (O2?) au niveau du muscle lisse et (2) un vasodilatateur (le monoxyde d’azote (NO)) au niveau de l’endothélium. La JME va permettre le passage de l’O2? du muscle lisse vers l’endothélium de façon à piéger le NO et maintenir une contraction physiologique de l’artère pulmonaire. L’étude des jonctions communicantes dans la circulation pulmonaire pathologique a été réalisée sur deux modèles de rats atteints d’HTAP : (1) le modèle de rat atteint d’HTAP suite à une injection de monocrotaline (rat MCT) et (2) le modèle de rat atteint d’HTAP suite à une hypoxie chronique (rat HC). Les connexines 37, 40 et 43 sont également exprimées au niveau de la circulation pulmonaire de ces rats, mais leur distribution au niveau du muscle lisse et l’endothélium est modifiée. La réactivité des artères pulmonaires à divers agents vasoconstricteurs (5-HT, endothéline-1, phényléphrine, solutions dépolarisantes) est modifiée chez les rats MCT et HC. De plus, l’implication des jonctions communicantes dans la réactivité à ces agents est changée chez les rats MCT et HC. Ces données apportent de nouvelles connaissances sur le rôle des jonctions communicantes dans la réponse contractile des artères pulmonaires saines, et de nouveaux éléments permettant de mieux comprendre les altérations de la vasomotricité pulmonaire observée dans l’HTAP. / Gap junction communication plays an important role in proliferation and in the regulation of vascular reactivity. In this study, we investigated the role of gap junctions in physiological pulmonary circulation and in pulmonary arterial hypertension (PAH). PAH is the main pathology of pulmonary circulation and is characterized by cell proliferation and hyperreactivity to several contractile factors such as serotonin (5-HT). In pulmonary circulation from healthy rats, gap junction proteins were observed (connexins 37, 40 and 43). Moreover, connexin 43 located at the myoendothelial junction (MEJ) is involved in the reactivity to 5-HT in pulmonary arteries from healthy rats. Indeed, 5-HT produces (1) superoxyde anion (O2?) from smooth muscle and (2) a vasodilator (nitric oxide (NO)) from endothelium. O2? will pass through MEJ from the smooth muscle to the endothelium in order to scavenge NO and thus maintain contraction in physiological conditions. Gap junctions study in pathological pulmonary arteries has been performed on two animal models of PAH: (1) monocrotaline-induced PAH (MCT rat) and (2) chronic hypoxia-induced PAH (CH rat). Connexins 37, 40 and 43 were observed in pulmonary circulation from these rats, but the localization in smooth muscle and endothelium is modified. Moreover, pulmonary arterial vasoreactivity in response to several contractile agents (5-HT, endothelin-1, phenylephrine, depolarizing solutions) is modified in MCT and CH rats. Finally, the role of gap junctions in the reactivity to these agonists is changed in MCT and CH rats. These data have important implications for understanding physiological vasoreactivity to 5-HT in pulmonary circulation, and to better understand alterations of pulmonary arterial reactivity observed in PAH.

Au niveau des artères intrapulmonaires (AIP) de rats sains, la connexine 43 (Cx43) située au niveau de la jonction myoendothéliale (JME) intervient dans la réactivité à la 5-HT. La 5-HT produit de l’anion superoxyde (O2•) au niveau du muscle lisse et du monoxyde d’azote (NO) au niveau de l’endothélium des AIP. La Cx43 permet alors le passage de l’O2• du muscle lisse vers l’endothélium de façon à diminuer la biodisponibilité du NO et maintenir une contraction physiologique de l’artère pulmonaire. Cependant, l’augmentation d’O2• par d’autres agonistes vasoconstricteurs tels que l’endothéline-1 (ET-1) et la phényléphrine (PHE) et les mécanismes impliqués dans cette augmentation restent encore méconnus dans la circulation pulmonaire. Ainsi, ce travail vise à identifier les agonistes qui provoquent une augmentation de la quantité d’O2• et à mettre en évidence les voies de signalisation mises en jeu au niveau des AIP de rats. Par ailleurs, la Cx43 étant impliquée dans la réactivité des AIP de rats sains à la 5-HT, le rôle de la Cx43 dans la circulation pulmonaire pathologique a été étudié à l’aide d’un modèle de souris hétérozygote pour la Cx43 (souris Cx43+/-) souffrant d’hypertension pulmonaire (HTP) hypoxique chronique (HC). Nous avons montré que l’augmentation d’O2•au niveau des AIP est un mécanisme exclusif de la 5-HT. Cette augmentation provient uniquement d’une augmentation de production par la mitochondrie et les NADPH oxydases via un mécanisme de « ROS-induced ROS release » dépendant de la PKC. La 5-HT agit par le biais des récepteurs 5-HT2A, induit un influx calcique extracellulaire qui augmente la concentration calcique mitochondriale provoquant une augmentation de production d’O2• par le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale. De plus, cette voie s’exerce au sein des microdomaines de signalisation, notamment les cavéoles. D’autre part, chez les souris Cx43+/- HTP HC le remodelage des AIPest inhibé et l’hypertrophie ventriculaire droite est freinée. La vasoréactivité des AIP à la 5-HT, à l’ET-1 et à la PHE est modifiée chez les souris Cx43+/- saines et HTP HC par rapport aux souris sauvages. Ces données apportent (1) des éléments de compréhension sur les voies de signalisation mises en jeu dans la production d’O2• en réponse à la 5-HT dans la circulation pulmonaire de rats sains et (2) de connaissances nouvelles sur le rôle de la Cx43 dans les AIP de souris saines et souffrant d’HTP HC. / Under physiological conditions, in rat intrapulmonary arteries (IPA), connexin 43 (Cx43) localised at the myoendothelial junctions is involved in the reactivity to serotonin (5-HT). 5-HT increases superoxide anion (O2•) in the smooth muscle and nitric oxide (a vasodilator) in the endothelium. O2• will then rapidly pass through Cx43 to scavenge endothelial NO to decrease the bioavailability of the latter and hence maintain IPA contraction in physiological conditions. However, to date, the increase in O2• level by other contractile agonists such as endothelin-1 (ET-1) and phenylephrine (PHE) and the mechanism involved in this increase are still unknown in the pulmonary circulation. The goal of this present work is to identify the contractile agonists involved in the increase of O2• and to highlight the signaling pathways involved in the agonists-induced increase of O2•. As Cx43 plays an important role in IPA contractile reactivity to 5-HT in healthy rats, the role of Cx43 under pathological conditions of the pulmonary circulation has been studied with a mice model heterozygous for Cx43 (Cx43+/-) suffering from hypoxic pulmonary hypertension (HPH). We have shown that O2• increase in rat IPA is exclusive to 5-HT. 5-HT-induced O2• increase in rat IPA is only from an increase in production by the mitochondria and NADPH oxydase via a ROS-induced ROS release mechanism dependent on PKC. Upon binding to 5-HT2A receptors, 5-HT induces an extracellular calcium influx which is responsible for an increase in mitochondrial calcium level and causes an upregulation in O2• production by the complex I of the mitochondrial respiratory chain. Moreover, this signaling pathway takes place in specialized microdomains, namely caveolae. On the other hand, interestingly, in Cx43+/- HPH mice, IPA remodeling is inhibited and right ventricular hypertrophy is less intense. IPA vasoreactivity to 5-HT, ET-1 and PHE is modified in Cx43+/- healthy and HPH mice as compared to wild type mice. These data bring (1) new elements of comprehension in the signaling pathways involved in 5-HT-induced O2• production in healthy rat pulmonary circulation and (2) new insights on the role of Cx43 in mice IPA under physiological and HPH conditions.

Le complexe NADPH oxydase est un élément essentiel de l’immunité inné. Présent dans les cellules phagocytaires (neutrophile), sa fonction est de produire massivement, dans le phagosome, des anions superoxyde et générer ainsi des espèces encore plus réactives de l’oxygène qui vont détruire acides nucléiques, lipides et protéines des bactéries phagocytées. Le cœur membranaire catalytique du complexe NADPH oxydase est constitué d’un hétérodimère membranaire, le cytochrome b₅₅₈ (Cyt b₅₅₈). Après activation de celui-ci par les partenaires protéiques cytosoliques p47phox, p67phox, p40phox et Rac, une succession de réactions de transferts d’électron de part et d’autre de la membrane a lieu au sein du Cyt b₅₅₈ pour aboutir à la réduction du dioxygène de manière très contrôlée. Afin de mieux comprendre cette régulation, nous nous sommes d’abord intéressés aux stéreoisomères trans de l’acide arachidonique, activateur naturel de cet enzyme (cis), sur le fonctionnement de la NADPH oxydase et avons abordé cette étude parallèlement sur du Cytb₅₅₈ d’origine bovine présent dans des membranes de neutrophiles et dans des membranes de levures exprimant le Cytb₅₅₈ de manière hétérologue. Nous avons montré que la géométrie joue un rôle important sur l’activation du complexe enzymatique. Dans un deuxième temps, afin d’étudier le rôle de l’environnement membranaire sur le fonctionnement de la NADPH oxydase, nous avons déterminé les propriétés cinétiques et thermodynamiques de l’activité NADPH oxydase du Cytb₅₅₈ recombinant exprimé en levures, purifié, puis reconstitué en liposomes de composition lipidique variée. Après comparaison avec ces mêmes propriétés obtenues pour le Cytb₅₅₈ dans les membranes plasmiques et du réticulum endoplasmique de levures, nous avons montré que l’activité NADPH oxydase très sensible à la température peut être modulée par la composition et l’état physique de la membrane. / NADPH oxidase complex is a major actor of both antimicrobial host defense and inflammation by generating highly regulated superoxide anion, rapidly converted into reactive oxygen species (ROS). The NADPH oxidase complex consists of a heterodimeric integral membrane flavocytochrome b₅₅₈ and three cytosolic components p67phox, p47phox and p40phox, and the small GTP binding protein Rac. In response to a cellular stimulus, cytosolic proteins are recruited to the phagosomal membrane where they are assembled with the Cytb₅₅₈ to form the active NADPH oxidase. The aim of the work was to better understand the modulation of superoxide anion production by this enzyme. For this purpose, we performed experiments with both bovine neutrophil membranes and yeast membranes expressing the bovine recombinant Cytb₅₅₈. We first investigated the effect of the trans-isomerization of the cis-arachidonic acid, the activator of NADPH oxidase in vitro and showed that specific geometry of the activator plays an important role in the activation of the complex. We also studied the role of the membrane environment on the functioning of NADPH oxidase and determined the kinetics and thermodynamics of NADPH oxidase activity depending on the lipid composition of Cytb₅₅₈ proteoliposomes. Comparison with these properties obtained with recombinant Cytb₅₅₈ embedded into endoplasmic reticulum and plasma membranes, we showed that the NADPH oxidase activity is highly temperature dependent and can be modulated by the lipid environment and the physic state of the membrane.