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.

A model has been developed which simulates a system consisting of a horizontal and vertical ground-coupled heat exchanger connected in parallel to the same heat pump. The model was used in computer simulations to investigate how the annual minimum and mean fluid temperatures at the heat pump varied as several parameters of the combined system were changed. A comparison was also made between different control settings for fluid flow rate distribution between the two exchangers. For the case when the flow rate distribution was not controlled, the effect of viscosity differences between a colder and warmer exchanger was investigated. The short term effects of letting the vertical heat source rest during the warm summer months was then tested. Lastly, the results of the model was compared to a simple 'rule of thumb' that have been used in the industry for this kind of combined system. The results show that using a combined system might not always result in increased performance, if the previously existing exchanger is a vertical ground-coupled heat exchanger. The effects of viscosity differences on the flow distribution seems to be negligible, especially for high net flows. Controlling the fluid flow rates seems to only be worth the effort if the the pipe lengths of the two combined exchangers differ heavily. Letting the vertical ground-coupled heat exchanger rest during summer was shown to in some cases yield an increased short-term performance in addition to the already known positive long term effects. The rule of thumb was shown to recommend smaller dimensions for combination systems than the more realistic analytical model.

Le système nerveux central est un organe complexe et privilégié, protégé, entre autres, par la barrière hémato-encéphalique (BHE), sur laquelle se trouvent des transporteurs d'efflux telle que la P-glycoprotéine (Pgp).<br />La BHE est impliquée dans la neuro-inflammation et les maladies cérébrales associées, et la littérature laisse penser que l'endothéline 1 (ET-1) y joue un rôle important. En utilisant un modèle in vitro autologue de BHE humaine adulte et un modèle in vitro de BHE humaine fœtale (co-culture de cellules gliales et de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales), nous avons étudié l'effet de l'ET-1 sur la Pgp.<br />Une différence, en termes de modulation de l'activité de la Pgp, a été observée entre la BHE fœtale et la BHE adulte suite à l'exposition à l'ET-1. Nous avons également évalué la modulation induite par l'ET-1 sur la sécrétion de la MCP-1 (Monocyte chemoattractant protein 1) et de l'IL-8. Les résultats montrent que l'ET-1 diminue l'activité de la Pgp et induit la sécrétion de MCP-1 et d'IL-8.

The borehole heat exchangers of today suffer from poor thermal and hydrodynamic performance. The purpose of this thesis is to improve the performance of ground source heat pump systems and thermal energy storages by increasing the energy efficiency of the borehole heat exchangers. For this reason, the annular coaxial borehole heat exchanger (CBHE) has been analyzed. This type of heat exchanger is interesting in terms of both thermal and hydrodynamic performance. A model has been set up in the program Comsol Multiphysics in order to investigate the heat transfer characteristics along the borehole. A literature survey that summarizes the analytical calculation methods developed in earlier Swedish research is presented in the report. Different geometries with or without insulation of the central pipe have been analyzed and the effective borehole resistance for each geometry has been calculated based on the simulation results. The model has been validated against a recently performed thermal response test, and shows very good correlation with reality. The results from the simulations show that by using the annular CBHE an increase of 2-3 °C in the evaporator of the heat pump can be achieved. Calculations show that the pump work (head loss) can be reduced to 1/6 of the corresponding case with a single U-pipe. There arises a vertical temperature gradient in the bedrock when recharging and extracting heat with the annular CBHE. This means that the annular CBHE acts like a counter-flow heat exchanger which is thermally optimal. In total, the simulation result shows that the annular CBHE geometry in this thesis can increase a system's seasonal performance factor (SPF) with 10-19 % in comparison with a U-pipe BHE. This is equivalent to 10-19 % lower electrical power consumption every year.

Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:03Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Diego Becker Borin.pdf: 1553948 bytes, checksum: b94d052c85f74f3bcc5e4cadbcb71e67 (MD5) Diego Becker Borin.pdf.txt: 134530 bytes, checksum: f3ad94a2052d1806ff21e9c0ce7733fb (MD5) Diego Becker Borin.pdf.jpg: 3538 bytes, checksum: b4b8b2603cafaeb4736f56efe30f7f1d (MD5) Previous issue date: 2013-03-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Creatine is a biomolecule endogenously synthesized from amino acids which can also be obtained through the diet. But it does not permeate easily through the blood-brain barrier (BBB), so the brain must supply their needs through the synthesis of creatine in the central nervous system (CNS) by itself. Creatine has a major role in maintaining stable levels of adenosine triphosphate (ATP) thus keeping the whole body in a proper condition. Neurodegenerative diseases leads to decreases in ATP levels, which compromises cellular metabolism, generating the increase of reactive species that could lead to neuronal cell death. Therefore, it becomes important to increase creatine levels in neurodegenerative diseases, so it could provide new alternative treatments for these diseases. This study aimed to develop and characterize liposomes with creatine, as well as investigate its protective effect in ischemia and reperfusion (I/R) brain model. Two methodologies were used for the preparation of liposomes, the lipid film hydration and ethanol injection. Due the best results were obtained by the ethanol injection method, this was chosen for the preparation of liposomes in in vivo tests. The rats were tested using I/R by clamping bilateral carotid arteries and different groups were treated with creatine (30 mg/kg) in free form (Liv+I/R) and liposomed (Lip+I/R) and compared with the control group and I/R. The animals motor activity, exploratory and memory abilities were evaluated through field tests and passive avoidance, 24 and 48 hours after I/R, respectively. After 72 hours, the animals were euthanized and the brains removed for biochemical determination of levels of reactive species and ascorbic acid (AA), and the biochemical breakdown activity of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT). The suspensions of liposomes used for the in vivo treatment had homogenous average particle diameter (154 ± 6.9 nm), low polydispersity index (0.211 ± 0.019), pH near neutral (around 6.7), negative potential Zeta (-21 ± 1.8 mV) and association rate around 31%. The results of field tests have shown that I/R caused a change in exploratory activity of animals and increased oxidative stress in the brain of rats subjected to I/R. Liposomes creatine protected the change in exploratory activity and increased oxidative stress in rat cortex. Already in free form, creatine was not able to protect against these changes. With these results, we can conclude that the production of liposomes containing creatine technological feasibility presented, demonstrating the potential to increase the bioavailability of creatine into the CNS via the BBB. / A creatina é uma biomolécula sintetizada endogenamente a partir de aminoácidos, que também pode ser obtida através da dieta. Porém, ela não permeia facilmente através da barreira hematoencefálica (BHE), assim o cérebro deve suprir suas necessidades através da síntese de creatina no próprio sistema nervoso central (SNC). A grande importância da creatina para o funcionamento correto do organismo está em manter estáveis os níveis de adenosina trifosfato (ATP). Doenças neurodegenerativas levam a déficits de ATP, o que compromete o metabolismo celular, gerando espécies reativas (ERs) capazes de levar as células neuronais à morte. Assim, torna-se importante aumentar os níveis de creatina em doenças neurodegenerativas, podendo gerar novas alternativas de tratamento para estas doenças. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar lipossomas de creatina, bem como, investigar o seu efeito protetor em um modelo de isquemia e reperfusão (I/R) cerebral. Foram utilizadas duas metodologias para o preparo dos lipossomas, a hidratação do filme lipídico e a injeção de etanol. Devido aos melhores resultados obtidos pelo método de injeção de etanol, este foi escolhido para o preparo dos lipossomas a serem aplicados nos testes in vivo. Os ratos foram submetidos ao processo de I/R pelo clampeamento bilateral das artérias carótidas, sendo os diferentes grupos tratados com a creatina (30 mg/kg) na forma livre (Liv+I/R) e lipossomada (Lip+I/R), sendo comparados com os grupos controle e I/R. A atividade locomotora, exploratória e a memória dos animais foram avaliadas através dos testes de campo aberto e da esquiva passiva, 24 e 48 h após a I/R, respectivamente. Após 72 h, os animais foram eutanasiados e os cérebros removidos para as determinações bioquímicas dos níveis de ERs e ácido ascórbico (AA), e a atividade das enzimas superóxido dismutase (SOD) e catalase (CAT). As suspensões de lipossomas utilizadas para o tratamento in vivo apresentaram diâmetro médio de partícula homogêneo (154 ± 6,9 nm), com baixo índice de polidispersão (0,211 ± 0,019), pH próximo a neutralidade (em torno de 6,7), potencial Zeta negativo (-21 ± 1,8 mV) e taxa de associação em torno de 31%. Os resultados do teste de campo aberto demonstraram que a I/R causou alteração na atividade exploratória dos animais. Além disso, o estudo demonstrou aumento no estresse oxidativo no cérebro de ratos submetidos a I/R. Os lipossomas de creatina protegeram a alteração na atividade exploratória e o aumento do estresse oxidativo em córtex de ratos. Já a creatina na forma livre não foi capaz de proteger contra estas alterações. Através destes resultados, pode-se concluir que a produção de lipossomas contendo creatina apresentou viabilidade tecnológica, demonstrando potencial para aumentar a biodisponibilidade de creatina para o SNC através da BHE.

In the context of energy transition, geothermics play an important role for the heating and cooling supply of both residential and commercial buildings. Thereby, the increasingly and intensive utilisation of shallow geothermal resources bears the risk of over-exploitation and thus poses a future challenge to ensure the sustainability and safety of such systems. Particularly, the well-established technology of borehole heat exchanger-coupled ground source heat pumps is applied for the thermal exploitation of the shallow subsurface. Due to the complexity of the involved physical processes, numerical modelling proves to be a powerful tool to enhance process understanding as well as to aid the planning and design processes. Simulations can also support the management of thermal subsurface resources, planning and decision-making on city and regional scales. In this work, the so-called dual-continuum approach was adopted and enhanced to develop a coupled numerical model considering flow and heat transport processes in both the subsurface and borehole heat exchangers as well as the heat pumps’ performance characteristics, and including the relevant phenomena influencing the underlying processes. Beside the temperature fields, the efficiency and thus the consumption of electrical energy by the heat pump is computed, allowing for the quantification of operational costs and equivalent carbon-dioxide emissions. The model is validated and applied to a number of numerical studies. First, a comprehensive sensitivity analysis on the efficiency and sustainability of such systems is performed. Second, a method for the quantification of technically extractable shallow geothermal energy is proposed. This procedure is demonstrated by means of a case study for the city of Cologne, Germany and its implications are discussed. / Im Rahmen der Energiewende nimmt die Geothermie eine besondere Rolle in der thermische Gebäudeversorgung ein. Die zunehmende, intensive Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen erhöht die Gefahr der übermäßigen thermischen Ausbeutung des Untergrundes und stellt damit eine wachsende Herausforderung für die Nachhaltigkeit und Sicherheit solcher Systeme dar. Zur Erschließung oberflächennaher geothermischer Energie wird insbesondere die etablierte Technologie Erdwärmesonden-gekoppelter Wärmepumpen eingesetzt. Aufgrund der daran beteiligten komplexen physikalischen Prozesse erweisen sich numerische Modelle als leistungsfähiges Werkzeug zur Erweiterung des Prozessverständnisses und Unterstützung des Planungs- und Auslegungsprozesses. Zudem können Simulationen zum Management thermischer Ressourcen im Untergrund sowie zur Planung und politischen Entscheidungsfindung auf städtischen und regionalen Maßstäben beitragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, basierend auf dem sogenannten ”dual-continuum approach” und unter Berücksichtigung des Einflusses der Wärmepumpe, ein erweitertes gekoppeltes numerisches Modell zur Abbildung der in Erdwärmesonden und dem Untergrund stattfindenden Strömungs- und Wärmetransportprozesse entwickelt. Das Modell ist in der Lage, alle relevanten Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Neben den Temperaturfeldern im Untergrund und der Erdwärmesonde werden die Effizienz und damit der Stromverbrauch der Wärmepumpe simuliert. Damit können sowohl die Betriebskosten als auch der äquivalente CO 2 -Ausstoß abgeschätzt werden. Das Modell wurde validiert und in einer Reihe numerischer Studien eingesetzt. Zuerst wurde eine umfassende Sensitivitätsanalyse zur Effizienz und Nachhaltigkeit entsprechender Anlagen durchgeführt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Quantifizierung des technisch nutzbaren, oberflächennahen geothermischen Potentials vorgestellt und anhand einer Fallstudie für die Stadt Köln demonstriert, gefolgt von einer Diskussion der Ergebnisse.

Ces dernières années, alors qu’aucun agent neuroprotecteur n’a été efficace en clinique pour parer les dommages de l’ischémie cérébrale, le concept d’unité neurovasculaire (UNV) est apparu comme un nouveau paradigme pour l’investigation et le traitement des accidents vasculaires cérébraux ischémiques. La rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE) localisée au niveau des capillaires cérébraux, et ses corollaires l’œdème vasogénique et l’hémorragie intracérébrale, constituent des événements critiques de la maladie, et restreignent considérablement l’éligibilité des patients à la thrombolyse au rtPA, seul traitement de phase aiguë disponible actuellement en clinique. La complexité des intercommunications qui s’exercent au sein de l’UNV rend difficile l’appréhension de la dysfonction microvasculaire in vivo, soulignant l’importance des études in vitro pour compléter les connaissances dans ce domaine. C’est par cette approche combinée que les travaux effectués au cours de ce doctorat démontrent l’impact de la nécrose cérébrale sur la cinétique de la perte d’intégrité de la BHE au décours de la reperfusion. Cependant, même si l’endothélium microvasculaire demeure fonctionnel après un épisode ischémique dans un contexte non lésionel, il devient vulnérable à certaines molécules comme le rtPA dans une situation de thrombolyse. Ces résultats illustrent le rôle déterminant de l’environnement moléculaire périvasculaire sur la dysfonction de la BHE lors de l’ischémie cérébrale, et orientent les nouvelles stratégies thérapeutiques vers des approches ciblant la protection de l’ensemble de l’UNV. / In the recent years, while no neuroprotective agent was clinically effective in reducing brain ischemic damage, the neurovascular unit (NVU) concept emerged as a new paradigm for stroke investigation and treatment. The breakdown of the blood-brain barrier (BBB), localized in brain capillaries, with ensuing vasogenic edema and intracerebral hemorrhage, appears as a critical event of this disease, and severely restricts the eligibility of patients for rtPA thrombolysis, the only acute-phase treatment currently available. The complex intercommunications occurring within the NVU makes the microvascular dysfunction difficult to study in vivo, highlighting the importance of in vitro approaches to complete the knowledge in this field. In this context, the work done in this PhD demonstrates that brain tissue necrosis influences the kinetics of the loss of BBB integrity during reperfusion. However, even when the BBB remains functional in a non-lesional ischemic context, it becomes vulnerable to certain molecules such as rtPA in a thrombolysis situation. These results illustrate the key role of molecular perivascular environment on the BBB dysfunction during cerebral ischemia, and orientate new therapeutic strategies towards the protection of the entire NVU.

[ES] El tratamiento de enfermedades neurológicas está muy limitado por la ineficiente penetración de los fármacos en el tejido cerebral dañado debido a la barrera hematoencefálica (BHE), lo que imposibilita mejorar la salud del paciente. La BHE es un mecanismo de protección natural para evitar la difusión de agentes potencialmente peligrosas para el sistema nervioso central. No obstante, la BHE se puede inhibir mediante ultrasonidos focalizados e inyección de microburbujas de forma segura, localizada y transitoria, una tecnología empleada mundialmente. La principal ventaja es su carácter no invasivo, siendo así muy atractiva y cómoda para el paciente. Normalmente, la zona cerebral enferma se trata en su parte central empleando un único foco. Sin embargo, enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson requieren un tratamiento sobre estructuras de geometría compleja y tamaño elevado, situadas en ambos hemisferios cerebrales. Por tanto, la tecnología actual está muy limitada al no cumplir dichos requisitos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de una técnica novedosa, basada en hologramas acústicos, para resolver las limitaciones presentes en los tratamientos neurológicos empleando ultrasonidos. Se estudian las lentes acústicas holográficas impresas en 3D, que acopladas a un transductor mono-elemento, permiten el control preciso del frente de onda ultrasónico tanto para (1) compensar las distorsiones que sufre el haz hasta alcanzar el cerebro, como (2) focalizarlo simultáneamente en regiones múltiples y de geometría compleja o formando de vórtices acústicos, proporcionando así efectividad en tiempo y coste. Por ello, la investigación desarrollada en esta tesis abre un camino prometedor en el campo de la biomedicina que permitirá mejorar los tratamientos neurológicos, además de aplicaciones en neuroestimulación o ablación térmica del tejido. / [CA] El tractament de malalties neurològiques està molt limitat per la ineficient penetració del fàrmac en el teixit cerebral danyat a causa de la barrera hematoencefàlica (BHE), i així no és possible una millora de salut del pacient. La BHE és un mecanisme de protecció natural per a evitar la difusió d'agents potencialment perillosos per al Sistema Nervios Central. No obstant això, aquesta barrera es pot inhibir mitjancant una tecnologia emprada mundialment basada en ultrasons focalitzats i injeccio de microbombolles. El principal avantatge és el seu caràcter no invasiu, sent així molt atractiva i còmoda per al pacient, i permet obrir la BHE de manera segura, localitzada i transitòria. Normalment, la zona cerebral malalta es tracta en la seua part central, emprant un unic focus. No obstant això, malalties com l'Alzheimer o el Parkinson requereixen un tractament al llarg d'estructures de geometria complexa i grandària elevada, situades en tots dos hemisferis cerebrals. Per tant, la tecnologia actual està fortament limitada al no complir amb aquests requeriments. Aquesta tesi doctoral està enfocada a investigar i desenvolupar una tècnica nova, basada en hologrames acústics, per a solucionar les limitacions presents en els tractaments neurològics. Una lent acústica holograca de baix cost impresa en 3D acoblada a un transductor d'element simple permet el control precs del front d'ona ultrasònic punt per a (1) compensar les distorsions que pateix el feix en el seu camí cap al cervell, i (2) focalització simultània del feix en regions multiples i de geometria complexa, proporcionant aix un tractament efectiu en temps i cost. Per això, la investigació desenvolupada en aquesta tesi demostra la possibilitat de realitzar qualsevol tractament neurològic, a més d'aplicacions en la neuroestimulació o l'ablació tèrmica dins del camp biomèdic. / [EN] Treatments for neurological diseases are strongly limited by the inefficient penetration of therapeutic drugs into the diseased brain due to the blood-brain barrier (BBB), and therefore no health improvement can be achieved. In fact, the BBB is a protection mechanism of the human body to avoid the diffusion of potentially dangerous agents into the central nervous system. Nevertheless, this barrier can be successfully inhibited by using a worldwide spread technology based on microbubble-enhanced focused ultrasound. Its main advantage is its non-invasive nature, thus defining a patient-friendly clinical procedure that allows to disrupt the BBB in a safe, local and transient manner. Conventionally, the diseased brain structure has been targeted in its center, with a single focus. However, Alzheimer's or Parkinson's Diseases do require that ultrasound is delivered to entire, complex-geometry and large-volume structures located at both hemispheres of the brain. Therefore, current technology presents several limitations as it does not fulfill these requirements. This doctoral thesis aims to develop a novel technique based on using focused ultrasound acoustic holograms to solve the existing limitations to treat neurological diseases. In this dissertation, we study 3D-printed holographic acoustic lenses coupled to a single-element transducer that allow to accurately control the acoustic wavefront to both (1) compensate distortions suffered by the beam in its path to the brain, and (2) simultaneous focusing in multiple and complex-geometry structures or acoustic vortex generation, providing a time- and cost- efficient procedure. Therefore, the research carried out throughout this thesis opens a promising path in the biomedical field to improve the treatment for neurological diseases, neurostimulation or tissue ablation applications. / Acknowledgments to the Spanish institution Generalitat Valenciana, which funding grant allowed me to develop this doctoral thesis, and as well funded my research stay at Columbia University. The development of the entire thesis was supported through grant Nª. ACIF/2017/045. Particularly, the research carried out in Chapter 3 and Chapter 4 was possible thanks to and supported through grant BEFPI/2019/075. Action co-financied by the Agència Valenciana de la Innovació through grant INNVAL10/19/016 and by the European Union through the Programa Operativo del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) of the Comunitat Valenciana 2014-2020 (IDIFEDER/2018/022). / Jiménez Gambín, S. (2021). Transcranial Ultrasound Holograms for the Blood-Brain Barrier Opening [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171373

L'épilepsie est une maladie neurologique chronique caractérisée par des crises spontanées et récurrentes. Les crises sont générées par un déséquilibre dans le fonctionnement des neurotransmetteurs et des canaux ioniques qui contrôlent l'excitabilité. L'épileptogenèse est majoritairement associée à des pertes neuronales, une gliose, une inflammation plus ou moins importants. Un tiers des patients deviennent réfractaires. Récemment, plusieurs équipes ont montré une association entre les épilepsies focales pharmacorésistantes et la rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE). De plus, une implication du système immunitaire ainsi qu'une cause auto-immune de l'épilepsie ont été suggérées. Dans cette thèse, nous avons observé dans le tissu de patients atteints d'épilepsie pharmacorésistante du lobe temporal (ELT), des fuites d'Immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme et leur accumulation dans les neurones présentant des signes de neurodégénérescence. Le récepteur d'IgG de grande affinité FcyRI est surexprimé sur les cellules ayant une morphologie de type microglie/ macrophages, tandis que le récepteur de faible affinité FcyRIII et le récepteur inhibiteur FcγRII sont moins présents. Dans ce même tissu nous avons noté que les protéines du complément C3c et C5b9 sont exprimées. Ensuite, nous avons étudié si le modèle murin d'épilepsie focale induite par injection intra-amygdalienne de kaïnate reproduit la physiopathologie de l'ELT associée à une rupture de la BHE. ZO-1, la principale protéine des jonctions serrées, présente un marquage discontinu indiquant que la BHE a été affectée. Nous avons remarqué des fuites d'IgGs et d'albumine ainsi que leur accumulation dans le parenchyme coïncidant avec la survenue des crises. La présence d‘IgG dans l'épilepsie pourrait également avoir une cause auto-immune. Nous avons utilisé des puces à protéines pour identifier des antigènes qui induisent une réponse immunitaire, dans le plasma des patients atteints d'ELT, Nous avons sélectionné 19 auto-anticorps spécifiques qui peuvent servir de potentiels biomarqueurs diagnostiques L'ensemble de ces résultats suggère que les fuites d'IgG sont associées à une déficience neuronale, conduisant à des changements immunologiques dans le foyer épileptique qui participent à la pathogénèse de l'ELT. Nous pensons qu'une meilleure interprétation des profils de ces auto-anticorps pourrait offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Epilepsy is a chronic neurologic disorder characterized by recurrent unprovoked seizures. Seizures are generated by an imbalance in the functioning of neurotransmitters and ion channels that control excitability. Epileptogenesis is mostly associated with neuronal loss, gliosis, and inflammation more or less important. A third of patients become drug refractory. Recently, several teams have shown an association between drug-resistant focal epilepsy and disruption of the blood-brain barrier (BBB). In addition, a possible role of the immune system and an autoimmune nature in epilepsy has been suggested. In this thesis, in the tissue of patients with drug-resistant temporal lobe epilepsy (TLE), leakage of immunoglobulin G (IgG) into the parenchyma and IgG accumulation in neurons with attendant signs of neurodegeneration was observed. In addition, the high affinity IgG receptor, FcγRI was expressed on microglia/macrophage shaped cells. The expression of the low affinity IgG receptor, FcγRIII and the inhibitory IgG receptor, FcγRII was decreased. In the same tissue the complement proteins C3c and C5b9 were present on astrocyte/ microglia and macrophage/ microglia shaped cells respectively. Then, we evaluated whether the mouse model of focal epilepsy induced by intra-amygdala microinjection of kainic acid reproduced a pathophysiology of TLE associated with BBB impairment. ZO-1, the main tight junction protein presented discontinuous staining indicating that BBB was affected. Both IgG and albumin extravasations from blood vessels were noted and its parenchymal accumulation was concomitant with seizure occurrence. Another hypothesis of IgG presence in epilepsy incriminates an auto-immune cause. Protein microarray technology was used for identification in pooled plasma samples, of antigens that bind plasma antibody from TLE patients. 19 potential autoantibodies were identified as potential diagnostic biomarkers. Together, these observations suggest that IgG leakage is associated with neuronal impairment, leading to immunological changes in epileptic focus involved in the pathogenesis of TLE. A better interpretation of the profiles of these autoantibodies could offer new therapeutic and diagnostic perspectives.

Dans les maladies neurodégénératives comme la sclérose en plaques, la neuro-inflammation modifie l'activité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) par des altérations cellulaires et moléculaires complexes. La caractérisation de tels changements moléculaires par une approche d'étiquetage in vivo justifie la recherche d’outils de ciblage fiables et de biomarqueurs. Les stratégies pour définir in vivo ces marqueurs sont cependant compliquées par la pléthore de molécules cibles accessibles, par l’intrication des régions atteintes au sein du tissu sain et par les altérations structurales potentielles des molécules cibles étudiées par histopathologie. Le but de ce travail est de rationaliser la découverte de biomarqueurs des altérations moléculaires dans les tissus par une stratégie de sélection in vivo de répertoires de phages présentant des peptides à leur surface (phage display), les ligands présents dans les deux répertoires (sain et pathologique) étant ensuite soustraits physiquement. Cette stratégie de soustraction (« PhiSSH ») permettant d’enrichir un répertoire en ligands spécifiques est d’un intérêt majeur dans le cas de répertoires complexes tels ceux obtenus dans des sélections in vivo.Nous présentons l'application de cette stratégie dans le modèle de rat de la sclérose en plaques, l’Encéphalomyélite Autoimmune Expérimentale (EAE), où les lésions disséminées dans le système nerveux central engendrent la sélection d’une grande quantité de clones s’associant au tissu sain, par comparaison avec les rats témoins en bonne santé. L'efficacité de la technique de soustraction a été contrôlée par séquençage massif des trois repertoires, «EAE», «SAIN», et «SOUSTRACTION». Plus de 95 % des clones communs aux répertoires EAE et contrôle sont absents du répertoire de la soustraction. Un ensemble de clones de phages et des peptides synthétisés chimiquement dessinés après l’analyse bioinformatique du répertoire de soustraction a été testé a) sur des tissus de rats EAE et sains et b) sur des cellules humaines en culture (HCMEC/D3) constituant un modèle de BHE, dans des conditions inflammatoires, (activation IL- 1ß) ou non activées. Un des clones et quatre peptide testés ont montré une association spécifique sur les cellules endothéliales de BHE dans des conditions inflammatoires. Pour identifier la cible d’un phage spécifique des lésions neuro-inflammatoires, nous avons mis en œuvre un procédé de création de liaison covalente entre ce phage et les protéines exprimées par des cellules de BHE cultivées en présence d’IL-1ß, puis effectué une analyse par spectométrie de masse. La galectine-1 est apparue comme une cible potential de ce phage. La découverte de biomarqueurs spécifiques de modifications moléculaires et cellulaires de régions inflammatoires disséminées dans les tissus sains, comme c’est le cas dans la plupart des pathologies présentant une activité neuro–inflammatoire, sera facilitée par l’utilisation de la stratégie de soustraction PhiSSH décrite dans ce document. / In neurodegenerative disorders like multiple sclerosis, neuroinflammation modifies the blood brain barrier (BBB) status by causing complex cellular and molecular alterations. Characterization of such molecular changes by an in vivo labeling approach is most challenging to generate reliable in vivo targeting tools and biomarkers. In vivo strategies to define such markers are, however, hampered by the plethora of the accessible target molecules, the vicinity of diseased target expression among healthy tissue and the potentially structural alterations of target molecules when studied by histopathology. The aim of this work is to streamline the biomarker discovery of pathological molecular tissue alterations by in vivo selection of phage displayed peptide repertoires that are further submitted to physical DNA subtraction (“PhiSSH”) of sequences encoding common peptides in both repertoires (HEALTHY and PATHOLOGY). The strategy of Subtraction allows thus the enrichment of clones specific for one repertoire and is of particular interest for complex repertoires produced by in vivo selection. We present the application of this strategy in the multiple sclerosis rat model, Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) pathology, where target lesions are disseminated in the central nervous system (CNS) generating a large amount of clones binding to healthy tissue among the recovered repertoire clones binding to the lesions by comparison with healthy control rats. The efficiency of the subtraction was monitored by massive sequencing of the three repertoires, «EAE», «HEALTHY», and «SUBTRACTION». More than 95% of the clones common to EAE and Healthy repertoires were shown to be absent from the Subtraction repertoire. A set of randomly chosen clones and synthesized peptides from the EAE and subtraction repertoires were tested for differential labeling of a) diseased and healthy animal tissues and b) an in vitro BBB model, in IL-1ß challenged and resting control state culture human cells (hCMEC/D3). One of the phage clones and 4 chemically synthesized peptides showed specific binding to brain ECs in neuro-inflammatory conditions. Using a strategy of crosslinking of an EAE specific phage clone on protein targets expressed by IL-1ß activated ECs followed by mass spectrometry, we propose hypothetically Galectin-1 as a possible target of this phage. PhiSSH will be useful for in vivo screening of small peptide combinatorial libraries for the discovery of biomarkers specific of molecular and cellular alterations untangled with healthy tissues, as in most pathologies presenting neuroinflammatory activity.