Dans le monde, une femme sur neuf sera atteinte d’un cancer du sein et environ un tiers développeront alors des métastases, principalement au niveau des poumons, des os et du cerveau. Dans ce dernier cas, le pronostic de survie des patientes est extrêmement faible, et ce, malgré le développement constant de nouvelles molécules anticancéreuses. En effet, la majorité de ces composés sont inefficaces du fait de leur incapacité à franchir la barrière hémato-encéphalique (BHE) pour aller cibler les métastases cérébrales. Ainsi, bloquer le passage des cellules tumorales vers l’endothélium cérébral peut être envisagé comme l’une des stratégies thérapeutiques de réduction de la formation des métastases cérébrales. Néanmoins, cette approche implique l’identification des mécanismes moléculaires mis en jeu lors des interactions entre les cellules tumorales et les cellules endothéliales de la BHE. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de doctorat en démontrant que la pertinence des résultats obtenus à partir d’études in vitro est largement dépendante de la qualité du modèle de BHE utilisé. L’utilisation de différents modèles in vitro montre en effet que seul le modèle généré à partir de cellules souches humaines fournit des résultats conformes aux données cliniques quant aux capacités d’interactions des cellules tumorales mammaires avec la BHE en fonction de leur agressivité relative. Ce modèle permet ainsi l’étude spécifique des mécanismes responsables des interactions entre les cellules tumorales et les cellules de la BHE lors de la formation des métastases cérébrales chez l’homme. / Worldwide, one in nine women will suffer from breast cancer and about a third of them will develop distant metastases, mainly in the lung, the bones and the brain. Brain metastases are associated with poor prognosis and reduced overall survival because most of the available anticancer agents proved to be ineffective because of their failure to cross the Blood-Brain Barrier (BBB) to target brain metastases. Hence, prevent cancer cells to cross the BBB can be considered as one of therapeutic strategies to reduce brain metastases development. However, this includes the prior identification of still unknown molecular mechanisms involved during interactions between cancer cells and BBB endothelial cells. It is in this context that this thesis work has been drawn up. It shows that the relevance of results obtained from in vitro studies heavily depends on the quality of the chosen BBB model. The use of several in vitro models demonstrates that only the one generated from human stem cells provides results in accordance with clinical data. This model also enables study of specific mechanisms responsible for interactions between cancer cells and BBB endothelial cells during brain metastases formation.

Ce mémoire d'HDR (Habilitation à Diriger des Recherches) représente une synthèse de mes activités d'enseignement et de mes travaux de recherche. Mon parcours de recherche a été centré sur les acides gras polyinsaturés de la famille oméga-3, notamment l'acide docosahexaénoïque (DHA), un nutriment bioactif indispensable au développement du système nerveux central et à la fonction rétinienne. Mon intérêt pour cette molécule fondamentale m'a amenée au cours de ces années à réaliser des recherches allant de la biosynthèse du DHA à partir de son précurseur (l'acide alpha-linolénique), à son ciblage spécifique au niveau de la sphère cérébro-vasculaire en passant par son métabolisme (peroxydation lipidique et métabolisme oxygéné).

Jusqu'en 1980, date à laquelle la variole a été déclarée éradiquée suite à la pratique de la vaccination, elle a constitué un véritable fléau pour l'humanité. Le risque de réémergence du virus de la variole dans un contexte bioterroriste, compte-tenu des conditions de production, de la faible immunité de la population et des complications post-vaccinales liées aux vaccins historiques, rend le développement de nouveaux vaccins antivarioliques nécessaire.<br />L'objectif du travail de thèse présenté dans ce mémoire est l'étude du vaccin antivariolique historique Lister dans un cadre de stratégie d'élaboration d'un nouveau vaccin issu de cette souche.<br />La séquence génomique de ce vaccin est déterminée et décrite. Sa comparaison avec d'autres souches de virus de la vaccine met en évidence les singularités de la souche Lister. <br />Par ailleurs, l'étude de la diversité de la population virale et sa caractérisation phénotypique et génétique devraient permettre d'éclairer le choix de la stratégie pour développer un nouveau vaccin dit de deuxième génération issu de cette souche : vaccin constitué d'un seul clone viral ou vaccin polyclonal.<br />Enfin, l'étude de l'interaction du virus de la vaccine avec la barrière hémato-encéphalique montre une augmentation de sa perméabilité suite à l'infection des cellules endothéliales par le virus de la vaccine. De plus, des études in vivo mettent en évidence l'entrée et la réplication du virus dans le tissu cérébral, entraînant des atteintes cérébrales parfois mortelles. Ces perspectives permettent d'appréhender la neuropathogénicité du vaccin historique reliée aux encéphalites post-vaccinales, complications létales de la vaccination antivariolique.

La présence de la glycoprotéine P (P-gp) dans la barrière hémato-encéphalique (BHE) conduit à l’échec de nombreuses thérapies ciblant le système nerveux central (SNC). Cependant la P-gp protège aussi le cerveau contre des composés nocifs, essentiellement lipophiles, endogènes et exogènes susceptibles de passer la BHE par diffusion simple. Par conséquent, toute inhibition de la P-gp qui vise à améliorer la distribution des agents pharmacologiques dans le cerveau doit prendre en compte la neurotoxicité potentielle de cette inhibition. Les premiers travaux ont montré que l’elacridar et le tariquidar, deux modulateurs de la P-gp de troisième génération, augmentaient la distribution dans le cerveau de plusieurs de ses substrats. Malheureusement, d’autres études plus récentes, suggèrent l’utilisation de doses élevées de l’elacridar et du tariquidar pour moduler efficacement l’activité de la P-gp dans la BHE. Néanmoins, ces doses élevées en co-administration avec des substrats de la P-gp peuvent être associées à des interactions pharmacocinétiques et à des profils toxiques, limitant ainsi l'utilisation de ces inhibiteurs.Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est d’obtenir une modulation transitoire mais efficace de la P-gp dans la BHE par administration intraveineuse de doses faibles mais thérapeutiques de l’elacridar et du tariquidar sous leur forme libre ou co-encapsulé dans les liposomes. Le lopéramide, substrat de la P-gp, a été également administré sous sa forme libre comme une preuve in vivo d’une inhibition efficace de la P-gp dans la BHE.L'administration simultanée de ces deux modulateurs de la P-gp n’a pas modifié leurs concentrations plasmatiques ou celles du lopéramide, mais a entraîné une importante distribution du lopéramide dans le cerveau en raison de leur activité inhibitrice non- compétitive. De plus, la co-encapsulation de l’elacridar et du tariquidar dans des immunoliposomes stabilisées stériquement a amélioré la demi-vie et la distribution dans le cerveau des ceux deux composés. Par conséquent, la distribution dans le cerveau du lopéramide a été considérablement augmentée, sans aucune modification de sa pharmacocinétique ou distribution tissulaire. Par ailleurs, la diminution partielle de l'activité inhibitrice du tariquidar par des liposomes vides suggère l’utilisation de ce nanovecteur comme une approche de bio-détoxification pour le traitement des surdoses de tariquidar. En résumé, cette thèse propose différentes approches pour exploiter pleinement l’elacridar et le tariquidar. Les résultats décrits dans ce manuscrit devraient ouvrir des pistes intéressantes pour atteindre une inhibition efficace de la P-gp dans la BHE et pour réussir des thérapies ciblant le système nerveux central / Although the P-glycoprotein (P-gp) represents an obstacle in several central nervous system (CNS) pharmacotherapies, the P-gp also protects the brain from intoxication by endogenous and exogenous harmful lipophilic compounds that otherwise could penetrate the blood-brain barrier (BBB) by simple diffusion. Therefore, any modulation of the efflux transporter has to consider the potential neurotoxicity of such modulation. Early studies showed that elacridar and tariquidar, two third-generation P-gp modulators, increase the distribution of several P-gp substrates in the brain. Unfortunately, recent studies suggest the use of high doses of elacridar and tariquidar to efficiently modulate the P-gp at the BBB. Nevertheless, when co-administered with P-gp substrates, these high doses may be associated with pharmacokinetic interactions and toxic profiles, thus limiting the use of these compounds.Hence, this thesis aimed to attain a transient but efficient modulation of the P-gp at the BBB using elacridar and tariquidar but avoiding the use of large doses of these compounds. For this purpose we took advantage of the possible in vivo intravenous co-administration of low but therapeutic doses of elacridar and tariquidar, under their free form or co-encapsulated in liposomes. The brain distribution of free loperamide was determined as an in vivo probe of full inhibition of the P-gp activity at the BBB.The concurrent administration of both free P-gp modulators does not modify their plasma concentrations or those of the P-gp substrate but significantly increased the brain uptake of loperamide as a result of their non-competitive modulatory activity. Moreover, the co-encapsulation of elacridar and tariquidar in targeted sterically stabilized immunoliposomes improved the half-lives and brain distribution of both compounds. Consequently, the brain uptake of free loperamide was significantly enhanced without any modification of its pharmacokinetics or tissue distribution. Moreover, the partial impairment of the modulatory activity of tariquidar by empty liposomes, supports the use of this nanocarrier as a bio-detoxifying approach for the treatment of tariquidar overdoses.In summary, this thesis proposes different approaches for full exploitation of elacridar and tariquidar. The findings described in this manuscript should open interesting avenues to achieve an efficient overcoming of the P-gp at the BBB and succeed CNS pharmacotherapies.

Le MSRV (Multiple Sclerosis Associated Retro Virus) fait partie de la famille de rétrovirus endogènes humains HERV-W. Une protéine d'enveloppe provenant du MSRV est retrouvée chez la plupart des patients atteints de sclérose en plaque (SEP). Cette protéine (Env-ms) a des propriétés pro-inflammatoires sur les cellules immunitaires et pourrait donc jouer un rôle dans la pathogenèse de la SEP en exacerbant la diapédèse leucocytaire observée dans le système nerveux central (SNC) des patients. Cette étude vise principalement à analyser les effets de Env-ms sur la barrière hémato-encéphalique (BHE) au niveau moléculaire et fonctionnel. Nous avons pu démontrer que l'enveloppe recombinante du MSRV était capable de stimuler plusieurs paramètres inflammatoires sur un modèle humain de BHE in vitro, la lignée HCMEC/D3. En effet, Env-ms induit une surexpression d'ICAM-1, une protéine impliquée dans l'adhésion des leucocytes aux cellules endothéliales, d'une manière dose dépendante ainsi qu'une production dose dépendante de cytokines pro-inflammatoires comme l'IL-6 et l'IL-8. De plus, par une approche utilisant des siRNAs, nous avons pu montrer que Env-ms était reconnue par le récepteur TLR4, un récepteur de l'immunité innée exprimé par les cellules endothéliales. Nous avons aussi montré par des essais fonctionnels que Env-ms stimulait de manière significative l'adhésion de cellules immunitaires activées à la monocouche de cellules endothéliales. Enfin, nous avons aussi mesuré les effets de Env-ms sur des cultures primaires de cellules endothéliales HUVEC et nous avons pu montrer que les propriétés pro-inflammatoires de la protéine d'enveloppe étaient similaires à celles observées sur le modèle HCMEC/D3 Ces résultats appuient l'hypothèse selon laquelle le MSRV pourrait être impliqué dans la pathogenèse de la SEP ou bien dans le maintien d'un niveau d'inflammation élevé favorisant le désordre immunitaire observé chez les patients. Le MSRV pourrait également jouer un rôle dans d'autres maladies inflammatoires chroniques.

Pour exercer leur effet princeps, les médicaments doivent atteindre des concentrations nécessaires et suffisantes à leur site d'action tout en évitant la survenue d'effets indésirables. Les antibiotiques sont utilisés pour le traitement d'infection cérébroméningées dont la cible bactériologique se situe dans le liquide céphalorachidien (LCR) ou le liquide extracellulaire cérébral (LEC) un site d'action cérébral qui constitue aussi une cible pour des effets secondaires. La distribution de médicament dans le cerveau et le LCR est limitée par la présence des barrières hémato-encéphalique (BHE) et hématoliquidienne (BHL). De plus, des mécanismes d'efflux diminuent les concentrations tissulaires des médicaments. Pour optimiser l'usage des antibiotiques et diminuer les effets indésirables, il est important d'obtenir des informations pharmacocinétiques tissulaires. Le recueil de LEC par microdialyse cérébrale et le prélèvement de LCR permettent chez des patients de réanimation la comparaison des concentrations libres de médicament. Ce travail constitue une étude de la distribution dans le plasma, le LCR et le LEC de deux antibiotiques : le céfotaxime et le métronidazole. Des patients (après un traumatisme crânien ou un accident vasculaire) ont été traités par céfotaxime et métronidazole pour une pneumopathie. Quatre études pharmacocinétiques ont été réalisées à l'équilibre par microdialyse cérébrale (n=11) pour le recueil du LEC ou par prélèvement de LCR (n=9) par une dérivation ventriculaire externe. Les résultats ont montré que le métronidazole diffusait totalement dans les deux milieux alors que la diffusion du céfotaxime était limitée, probablement en raison de phénomènes d'efflux. / To exert their effect while avoiding adverse events, drugs must reach sufficient concentrations in their site of action. Antibiotics are used for treating infection that bacterial target is in the cerebrospinal fluid (CSF) or brain extracellular fluid (ECF) which is also a target for adverse events. Drug distribution in the brain and CSF may be limited by the presence of the blood-brain barrier (BBB) and blood-CSF barrier (BCSFB). In addition, efflux mechanisms may decrease tissue concentrations of drugs.To optimize the use of antibiotics and reduce adverse events, it is important to obtain tissue pharmacokinetics. Collecting ECF samples via brain microdialysis and CSF samples via external ventricular drain in critically ill patients allow comparison of free drug concentrations. This work is a study of the distribution in plasma, CSF and ECF of two antibiotics, cefotaxime and metronidazole.Patients (after a head injury or stroke) were treated with cefotaxime and metronidazole for pneumonia. Four pharmacokinetic studies were performed at equilibrium by brain microdialysis (n = 11) for collecting ECF or CSF samples (n = 9) by an external ventricular drain. The results showed that metronidazole distributes extensively in both ECF and CSF while the diffusion of cefotaxime was limited, probably due to efflux transporters.

Les principaux transporteurs ABC et cytochromes P450 exprimés au niveau des microvaisseaux cérébraux chez l’homme sont l’ABCB1/P-gp, l’ABCG2/BCRP et le CYP1B1. Au niveau des organes périphériques, la régulation de l’expression de ces trois marqueurs fait intervenir des facteurs de transcription et notamment le récepteur aryl hydrocarbon (AhR). Or les transcrits d’AhR sont très exprimés au niveau des microvaisseaux cérébraux humains. Les travaux de cette thèse ont donc dans un premier temps été consacrés à l’étude de l’implication de la voie du récepteur Ah dans la régulation de l’expression de l’ABCB1, de l’ABCG2 et du CYP1B1 au niveau de la barrière hémato-encéphalique. In vivo, nous avons mis en évidence qu’un traitement aigu par la dioxine (ou TCDD), ligand puissant d’AhR, induisait l’expression génique et protéique du Cyp1b1 au niveau des microvaisseaux cérébraux de rats adultes Srague-Dawley. De même, in vitro, l’exposition au TCDD a fortement induit l’expression du CYP1B1 dans la lignée hCMEC/D3, un modèle in vitro de l’endothélium cérébral humain et le recours à la technique de l’ARN interférence nous a permis de démontrer que le récepteur Ah était impliqué dans les effets observés. En revanche, que ce soit in vivo ou in vitro, l’exposition au TCDD n’a entrainé aucune modification significative de l’expression de l’ABCB1 ou de l’ABCG2. Dans un second temps, nous avons étudié l’interrelation entre la voie AhR et les voies de réponse à l’hypoxie cellulaire. Les différentes expériences réalisées sur la lignée cellulaire hCMEC/D3 ont mis en évidence une interaction non réciproque entre ces deux voies de signalisation : en cas d’activation simultanée, la réponse à l’hypoxie abolit la réponse AhR tandis que l’activation de la voie AhR ne modifie pas la réponse adaptative à l’hypoxie. / ABCB1 (P-gp), ABCG2 (BCRP) and CYP1B1 are the main ABC transporters and cytochrome P450 enzymes expressed at the human blood-brain barrier (BBB). In peripheral tissue, expression of these proteins is regulated by transcription factors such as the aryl hydrocarbon receptor (AhR). Interestingly, high levels of AhR mRNA are detected in human brain microvessels. We therefore investigated the potential implication of AhR in the regulation of ABCB1, ABCG2 and CYP1B1 expression. In vivo, a single dose of TCDD, a highly potent AhR ligand, increased Cyp1b1 transcripts and protein expression in rat brain microvessels. Similarly, exposing hCMEC/D3 cells, an in vitro promising model of human BBB, to TCDD induced CYP1B1 expression. Using small interfering RNA, we established AhR involvement in TCDD effects. However, either in vivo or in vitro TCDD treatment had no effect on ABCB1 or ABCG2 expression. Next, we investigated the crosstalk between AhR and hypoxia signalling pathways in case of simultaneous activation. Our experiments revealed that a crosstalk between these two pathways effectively occurred in hCMEC/D3 cells: hypoxia inhibited AhR response but not the reverse.

La présence de la glycoprotéine P (P-gp) dans la barrière hémato-encéphalique (BHE) conduit à l’échec de nombreuses thérapies ciblant le système nerveux central (SNC). Cependant la P-gp protège aussi le cerveau contre des composés nocifs, essentiellement lipophiles, endogènes et exogènes susceptibles de passer la BHE par diffusion simple. Par conséquent, toute inhibition de la P-gp qui vise à améliorer la distribution des agents pharmacologiques dans le cerveau doit prendre en compte la neurotoxicité potentielle de cette inhibition. Les premiers travaux ont montré que l’elacridar et le tariquidar, deux modulateurs de la P-gp de troisième génération, augmentaient la distribution dans le cerveau de plusieurs de ses substrats. Malheureusement, d’autres études plus récentes, suggèrent l’utilisation de doses élevées de l’elacridar et du tariquidar pour moduler efficacement l’activité de la P-gp dans la BHE. Néanmoins, ces doses élevées en co-administration avec des substrats de la P-gp peuvent être associées à des interactions pharmacocinétiques et à des profils toxiques, limitant ainsi l'utilisation de ces inhibiteurs.Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est d’obtenir une modulation transitoire mais efficace de la P-gp dans la BHE par administration intraveineuse de doses faibles mais thérapeutiques de l’elacridar et du tariquidar sous leur forme libre ou co-encapsulé dans les liposomes. Le lopéramide, substrat de la P-gp, a été également administré sous sa forme libre comme une preuve in vivo d’une inhibition efficace de la P-gp dans la BHE.L'administration simultanée de ces deux modulateurs de la P-gp n’a pas modifié leurs concentrations plasmatiques ou celles du lopéramide, mais a entraîné une importante distribution du lopéramide dans le cerveau en raison de leur activité inhibitrice non- compétitive. De plus, la co-encapsulation de l’elacridar et du tariquidar dans des immunoliposomes stabilisées stériquement a amélioré la demi-vie et la distribution dans le cerveau des ceux deux composés. Par conséquent, la distribution dans le cerveau du lopéramide a été considérablement augmentée, sans aucune modification de sa pharmacocinétique ou distribution tissulaire. Par ailleurs, la diminution partielle de l'activité inhibitrice du tariquidar par des liposomes vides suggère l’utilisation de ce nanovecteur comme une approche de bio-détoxification pour le traitement des surdoses de tariquidar. En résumé, cette thèse propose différentes approches pour exploiter pleinement l’elacridar et le tariquidar. Les résultats décrits dans ce manuscrit devraient ouvrir des pistes intéressantes pour atteindre une inhibition efficace de la P-gp dans la BHE et pour réussir des thérapies ciblant le système nerveux central / Although the P-glycoprotein (P-gp) represents an obstacle in several central nervous system (CNS) pharmacotherapies, the P-gp also protects the brain from intoxication by endogenous and exogenous harmful lipophilic compounds that otherwise could penetrate the blood-brain barrier (BBB) by simple diffusion. Therefore, any modulation of the efflux transporter has to consider the potential neurotoxicity of such modulation. Early studies showed that elacridar and tariquidar, two third-generation P-gp modulators, increase the distribution of several P-gp substrates in the brain. Unfortunately, recent studies suggest the use of high doses of elacridar and tariquidar to efficiently modulate the P-gp at the BBB. Nevertheless, when co-administered with P-gp substrates, these high doses may be associated with pharmacokinetic interactions and toxic profiles, thus limiting the use of these compounds.Hence, this thesis aimed to attain a transient but efficient modulation of the P-gp at the BBB using elacridar and tariquidar but avoiding the use of large doses of these compounds. For this purpose we took advantage of the possible in vivo intravenous co-administration of low but therapeutic doses of elacridar and tariquidar, under their free form or co-encapsulated in liposomes. The brain distribution of free loperamide was determined as an in vivo probe of full inhibition of the P-gp activity at the BBB.The concurrent administration of both free P-gp modulators does not modify their plasma concentrations or those of the P-gp substrate but significantly increased the brain uptake of loperamide as a result of their non-competitive modulatory activity. Moreover, the co-encapsulation of elacridar and tariquidar in targeted sterically stabilized immunoliposomes improved the half-lives and brain distribution of both compounds. Consequently, the brain uptake of free loperamide was significantly enhanced without any modification of its pharmacokinetics or tissue distribution. Moreover, the partial impairment of the modulatory activity of tariquidar by empty liposomes, supports the use of this nanocarrier as a bio-detoxifying approach for the treatment of tariquidar overdoses.In summary, this thesis proposes different approaches for full exploitation of elacridar and tariquidar. The findings described in this manuscript should open interesting avenues to achieve an efficient overcoming of the P-gp at the BBB and succeed CNS pharmacotherapies.

La présence croissante de nanoparticules (NPs) dans les produits de la vie quotidienne (alimentation, médicaments, cosmétiques, textiles…) soulève de sérieuses inquiétudes quant à leurs potentiels effets nocifs pour la santé humaine. Les NPs de dioxyde de titane (TiO2) sont produites à l’échelle industrielle et peuvent déjà être trouvées dans plusieurs produits commerciaux tels que les peintures, les cosmétiques ou dans les systèmes de décontamination de l’eau ou de l’air. Dans le passé, les NPs de TiO2 étaient considérées comme inertes, mais, très récemment, l'Agence Internationale pour la Recherche sur le Cancer les a classées comme possiblement cancérogènes (groupe 2B) pour l’homme. De nombreuses études in vitro et in vivo ont démontré la potentielle neuro-toxicité des NPs de TiO2, mais très peu d'études se sont concentrées plus spécifiquement sur la barrière hémato-encéphalique (BHE), protégeant le cerveau. Aujourd'hui, en dépit des avancées constatées, la bio-cinétique et la bio-accumulation des NPs de TiO2 ainsi que les conséquences sur la physiologie de la barrière hémato-encéphalique (BHE) in vivo restent très peu documentées. De plus, dans l’évaluation du risque lié à l’exposition aux NPs, des facteurs de risque tel que l’âge ont jusqu’ici été quasiment ignorés. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet est donc d’évaluer chez le rat adulte et âgé, l’impact d’une exposition aux NPs de TiO2 sur les fonctions de la BHE et sur le métabolisme cérébral. Nos résultats ont montré que les NPs de TiO2 s’accumulent dans certains organes et tissus (principalement dans les poumons, la rate et le foie) et ne sont pas distribuées au système nerveux central (SNC) que ce soit après injection intra-veineuse (IV) ou après une inhalation subaiguë à un nano-aérosol de TiO2. Après administration IV, une interaction directe entre NPs et les cellules endothéliales microvasculaires conduit à des altérations fonctionnelles au niveau de la BHE. Malgré l'absence de translocation vers le SNC, la bio-persistance du titane dans les organes périphériques semble être la cause de modulations de perméabilité de la BHE et d’une inflammation cérébrale. L'implication de médiateurs circulants faisant le lien entre la bio-persitance de titane dans les organes périphériques et les modulations observées au niveau cérébral a été démontré en utilisant un modèle in vitro de BHE. Une réponse exacerbée en termes de neuro-inflammation et de modulation de perméabilité de la BHE établit la vulnérabilité du cerveau âgé à la toxicité des NPs inhalées. Ces résultats ont démontré que malgré l'absence de translocation cérébrale, l'exposition aux NPs de TiO2 induit des altérations fonctionnelles de la BHE et une neuro-inflammation qui pourraient conduire à des troubles neurologiques. L’identification des médiateurs et la description des effets neurotoxiques restent encore à préciser. / The overwhelming presence of nanoparticles (NPs) in products including foods, medications, cosmetics, or textiles raises serious concerns about their potential harmful effects on human health. In the wide diversity of NPs, titanium dioxide (TiO2) NPs are among those produced on a large industrial scale and can already be found in several commercial products such as paints, cosmetics or in environmental decontamination systems. In the past, TiO2 NPs was considered inert, but, very recently, the International Agency for Research in Cancer (IARC) has classified TiO2 as possibly carcinogenic (group 2B) to human beings. Numerous in vitro and in vivo studies have shown the potential neuro-toxicity of TiO2 NPs, but very few studies focus on the central nervous system (CNS), Nowadays, notwithstanding the reported advances, the biokinetic and bioaccumulation ofTiO2 NPs and the consequences on the physiology of the blood-brain barrier (BBB) in vivo are unknown. In addition, NPs effect on susceptible population such as the elderly have been mostly ignored. In this context, the target of the present studies is to evaluate the in vivo impact of exposure to NPs on the BBB physiology and brain inflammation which could promote neurotoxicity in young adults and aging. Our results have shown that TiO2 NPs bioaccumulate in organs and tissues (lungs, spleen and liver especially) and don’t translocate to the brain either after IV or subacute inhalation exposure. In IV administration case, the direct interaction between NPs and brain endothelial cells induces BBB functional alterations. Despite the lack of CNS translocation, the biopersistence of titanium in peripheral organs may be indirectly the cause of BBB permeability alteration and brain inflammation. The involvement of circulating mediators linking titanium biopersitence in peripheral organs and brain impact has been demonstrated using an in vitro BBB model. An exacerbated response in term of neuro-inflammation and BBB permeability modulation has established the vulnerability of the aging brain to inhaled NPs toxicity. Taken together, our findings demonstrated that despite lack of brain translocation, exposure to TiO2 NPs induce BBB physiology alteration and neuro-inflammation that may lead to CNS disorders. Thereafter, identification of mediators and description of the neurotoxic effects may complete the assessment of the impact of TiO2 NPs exposure on the brain.

La Barrière Hémato-Encéphalique (BHE) représente aujourd’hui un obstacle majeur pour le développement de nouveaux traitements des pathologies cérébrales puisqu’elle empêche le passage de la majorité des agents thérapeutiques vers le cerveau. Afin de contourner cet obstacle, une technique proposée dans les années 2000 a montré son potentiel pour perméabiliser la BHE de façon non-invasive, locale et transitoire grâce à l’utilisation conjointe de microbulles circulantes et d’ultrasons focalisés, permettant une augmentation significative de la quantité de molécules délivrée aux tissus cérébraux. Ce protocole peut néanmoins présenter des risques (œdèmes, micro-hémorragies) qu’il est possible de maîtriser grâce à un bon contrôle du faisceau acoustique. A ce titre, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) représente un outil de choix permettant à la fois de planifier la procédure, puis de la suivre et enfin d’étudier ses effets grâce à l’utilisation d’agents de contraste et de séquences d’imagerie quantitative (relaxométrie T1 / T2). Durant cette thèse, nous avons développé de nouveaux outils permettant l’étude de la perméabilisation de la BHE chez le rongeur. Dans un premier temps, nous avons développé et validé un système motorisé compatible IRM, permettant de déplacer le transducteur ultrasonore à l’intérieur d’un scanner préclinique à 7T, avec un rétro-contrôle en temps réel du faisceau ultrasonore sur la base des images IRM de la force de radiation acoustique (MR-ARFI). Nous avons montré que ce dispositif permettait de réaliser l’ensemble du protocole de perméabilisation de BHE guidé par IRM en choisissant la structure anatomique à traiter de façon reproductible. Nous avons également montré qu’il pouvait être utilisé pour délivrer des molécules sur des régions étendues du cerveau selon des trajectoires arbitrairement programmées. Dans une seconde partie de cette thèse, nous avons réalisé plusieurs études en vue d’étudier l’innocuité de la technique. Nous avons mis en évidence l’influence de certains paramètres acoustiques sur l’efficacité du protocole (pression acoustique, temps de cycle), puis nous avons réalisé une étude histologique des dommages engendrés par une perméabilisation chez des animaux sains pour plusieurs pressions acoustiques, entre 0 et 14 jours post-ultrasons. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié la diffusion de différents agents de contraste paramagnétiques dans les tissus cérébraux suivant une perméabilisation focale de la BHE. Nous avons montré que cette technique permettait d’obtenir des mesures précises de la tortuosité des tissus cérébraux de façon non-invasive et que cette tortuosité n’était pas modifiée par les ultrasons, contrairement à ce qui est observé suite à une injection intracérébrale. / By preventing most of the molecules from penetrating the brain in sufficient quantitiy, the Blood Brain Barrier represents a major obstacle for the development of new therapeutic drugs for brain diseases. A new technique introduced in the early 2000’s combining focused ultrasound and circulating microbubbles has however shown promising results, allowing to induce a local and transient permeabilization of the BBB in a non-invasive manner, thus significantly improving the amount of drugs delivered to the Central Nervous System (CNS). However, this protocol may present some risks (oedema, small hemorrages) which can be avoided by a good control of the acoustic beam properties. To do so, Magnetic Resonance Imaging (MRI) represents a very useful tool since it allows planning, monitoring and following the permeabilization effects by using MRI contrast agents and quantitative imaging sequences (T1/T2 relaxometry). During this PhD, we worked on developing new tools for the study of ultrasound induced BBB permeabilization in rodents. The first part of this work consisted in developing a MR compatible motorized device, allowing the displacment of the ultrasound transducer within a 7T preclinic MRI scanner, with a realtime feedback on the acoustic beam position thanks to MR Acoustic Radiation Force Imaging (MR-ARFI). We have shown that this system allowed performing a full BBB permeabilization protocol under MR-guidance, with an accurate and reproducible choice of the targeted anatomical structure. This system was also used to deliver drugs along arbitrary trajectories over extended regions of the brain. Another part of the work was dedicated to study and improve the safety of the procedure. The influence of different acoustic parameters (acoustic pressure, duty cycle) on the permeabilization efficacy was studied, as well as histologic investigations of short and mid-term effects of BBB permeabilization for different acoustic pressures on healthy rats. Finally, we investigated the diffusion process of contrast agents within the brain tissues following BBB permeabilization. We have shown that this technique allowed accurate measurements of brain tissues tortuosity in a non-invasive way, and found that the tortuosity was not modified by the ultrasound application.