La maladie de Parkinson (MP) provient de la dégénérescence des cellules du locus nigerproduisant de la dopamine. La barrière hémato-encéphalique (BHE) est un véritable obstacle pour le traitement de la MP car elle empêche ou réduit le passage d’un grand nombre de substances pharmacologiques vers le cerveau. L’encapsulation de ces substances dans des liposomes ou des niosomes avant leur libération intra-cérébrale représente une alternative de choix en raison de la biocompatibilité, la biofragmentation, la non-toxicité et les capacités de ciblage de ces systèmes. A l’heure actuelle le traitement de la MP reste un défi, malgré l’existence de nombreux projets de recherche dans ce domaine. Notre hypothèse est que l’administration de pramipexoleencapsulé dans des liposomes et/ou des niosomes pourrait représenter une approche thérapeutique pertinente. Dans le cadre de la thèse, la caractérisation et la cinétique de diffusion des liposomes et niosomescontenant du pramipexole ont été réalisées. La validation de différentes formulations a été réalisée sur un modèle de BHE constitué de co-cultures cellulaires. Les effets du pramipexoleencapsulé dans des liposomes ou desniosomesont ensuite été étudiés dans un modèle de MP chez le rat obtenu par lésion de la voie dopaminergique nigro-striée à l’aide de 6-hydroxydopamine (6-OHDA). Pour cela, nous avons évalué le comportement rotatoire induit par l’amphétamine et l’expression du transporteur de la dopamine (DAT) par autoradiographie quantitative chez des animaux lésés traités ou non par les nanocapsules. Toutes les formulations que nous avons réalisées ont montré une capacité d’encapsulation d’environ 10% pour une taille de 100 nm, avec une cinétique de dispersion compatible avec une utilisation in vivo. Dans notre modèle de co-culture cellulaire, nous avons déterminé que nos formulations permettent le franchissement de la BHE. Chez les animaux lésés à la 6-OHDA, la quantification du DAT indique que l’administration de pramipexole réduit l’intensité de la lésion, que la substance soit administrée seule ou encapsulée dans des niosomes. Ces travaux montrent l’intérêt potentiel de l’administration de principe actif encapsulé pour le traitement de la MP, et devront être poursuivis afin d’optimiser cette approche thérapeutique, notamment au niveau des doses. / Parkinson’s Disease (PD) is degeneration of dopamine producing cells in substantia nigra. Blood-brain barrier (BBB) is a strong obstacle in PD therapy. More penetration and accumulation in the target tissue can be obtained by preventing RES uptake via “stealth effect”. Liposomes and niosomes are the promising systems for being biodegredable, bioavailable, non-toxic and targetable. Although CNS disorders are the first to endorse at their research in the diagnosis and therapy with several framework projects in Europe and over the world, there is still a huge gap in CNS drug delivery and the success of PD therapy. Although different studies have performed with pramipexole, evaluation of penetration and antiparkinsonian effect of pramipexole encapsulated liposomes and niosomes has never been studied before. Among this thesis, nanosized, polyethylene glycol (PEG) coated, neutral and positively charged, pramipexole encapsulated liposomes and noisomes were formulated, characterized and release kinetics of the systems were evaluated. In vitro penetration of all formulations was evaluated in BBB cell co-culture model. Therapeutic efficacy of neutral, pramipexole encapsulated liposomes and niosomes were evaluated in 6-hydroxydopamine (6-OHDA) lesioned rats by rotometer test and autoradiography. All formulations have approximately 10% encapsulation efficiency, around 100 nm particle sizes and fitted to first-order release kinetics. All formulations were found BBB permeable at in vitro cell culture studies. Nanosized, neutral niosomes designated similar but slightly better effect than pramipexole solution in autoradiograhy studies in 6-OHDA lesioned rats. This pramipexole dose is approximately 9 times lesser doses applied with conventional pramipexole tablets for humans in Neurology clinics. Nanosized, pramipexole encapsulated, neutral niosomes showed potential PD therapeutic effect in PD animal model depending on non-ionic surfactant properties of niosomes. / Uzm. Ecz. Mine Silindir Gunay, Parkinson Hastalığı’nın Teşhis ve Tedavisi İçin Kullanılacak Nanoboyutlu Teragnostik İmmünolipozom/İmmunoniozomlar Üzerine İn Vitro İn Vivo Çalışmalar, Hacettepe Üniversitesi – François Rabelais de Tours University, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Radyofarmasi Programı, UMR Inserm U 930, Ekip 3, Moleküler Görüntüleme ve Beyin Programı, Doktora Tezi, Ankara-Tours, 2016. Parkinson Hastalığı (PH) substantia nigra’daki dopamin üreten hücrelerin dejenerasyonundan kaynaklanmaktadır. Kan-beyin bariyeri (KBB) PH’nın tedavisinin önünde kuvvetli bir engeldir. Hedef dokudaki yüksek penetrasyon ve tutulum “stealth etki” ile RES tutulumunun engellenmesi ile sağlanabilir. Lipozom ve niozomlar biyoparçalanırlıkları, biyouyumlulukları, non-toksik ve hedeflendirilebilir olmaları nedeniyle en çok tercih edilen sistemlerdendir. Santral sinir sistemi hastalıklarının araştırılması Avrupa ve tüm dünyada yapılan pekçok çerçeve projelerinde ilk sırada olmasına rağmen, halen beyne ilaç taşınması ve PH’nin tedavi başarısı konusunda büyük boşluklar bulunmaktadır. Pramipeksol ile pek çok çalışma yapılmasına karşılık, bizim çalışmamız pramipeksol enkapsüle edilmiş lipozom ve niozomların beyin penetrasyonunun ve antiparkinson etkisinin değerlendirilmesi konusunda yenidir. Tez kapsamında, nanoboyutlu, PEG kaplı, nötral ve pozitif yüklü lipozom ve niozomların formüle edilmiş, karakterizasyon ve salım kinetikleri değerlendirilmiştir. Tüm formülasyonların KBB geçirgenliği, hücre KBB ko-kültürü çalışmalarında incelenmiştir. Nötral, pramipeksol enkapsüle edilen lipozom ve niozomların tedavi etkinliği in vivo olarak 6-hidroksidopamin (6-OHDA) ile lezyon yapılarak PH modeli oluşturulan sıçanlarda rotametre ve otoradyografi çalışmaları ile incelenmiştir. Tüm formülasyonlar yaklaşık %10 enkapsülasyon etkinliği ve 100 nm civarında partikül boyutu dağılımı ve birinci derece salım kinetiği göstermiştir. Hücre kültürü çalışmalarında, tüm formülasyonların KBB’nden penetre olabildiği saptamıştır. 6-OHDA lezyonlu sıçanlarda Parkinson hastalığının tedavisinde nanoboyutlu, nötral, pramipeksol enkapsüle edilen niozomlar, aynı dozdaki pramipeksol çözeltisi ile benzer hatta biraz daha iyi sonuçlar göstermiştir. Bu doz Nöroloji kliniklerinde Parkinson tedavisinde rutin olarak kullanılan konvansiyonel pramipeksol tabletlerindeki dozun yaklaşık olarak 9 kat düşük dozlarıdır. Nanoboyutlu, pramipeksol enkapsüle edilen, nötral niozomlar, niozomların non-iyonik sürfaktan özellikleri nedeniyle PH modeli sıçanlarda potansiyel bir antiparkinson terapötik etki göstermiştir.

The UK government’s Carbon Plan-2011 aims for 80% carbon emission reduction by 2050, and the 2009 UK National Renewable Energy Action Plan has set a target of delivering 15% of total energy demand by renewable energy sources by 2020. Ground Source Heat Pump (GSHP) systems can play a critical role in reaching these goals within the building sector. Achieving such benefits relies on proper design, integration, installation, commissioning, and operation of these systems. This work seeks to provide evidence to improve the practices in design, installation and operations of large GSHP systems. This evidence has been based on collection and analysis of data from an operational large-scale GSHP system providing heating and cooling to a university building. The data set is of significance in that it is collected from a large-scale system incorporating fifty-six borehole heat exchangers and four heat pumps. The data has been collected at high frequency since the start of operation and for a period of three years. The borehole heat exchanger data is intended to form a reference data set for use by other workers in model validation studies. The ground thermal properties at the site have been estimated using a novel combination of numerical model and parameter estimation methods. The utility of the reference data set has been demonstrated through application in a validation study of a numerical borehole heat exchanger model. The system heat balances and power consumption data have firstly been analysed to derive a range of performance metrics such as Seasonal Performance Factors. Analysis has been carried out at the system and individual heat pump level. Annual performance has been found satisfactory overall. A series of analyses have been carried out to investigate the roles of circulating pump energy, control system operation and dynamic behaviour. Monitoring data from one of the heat pumps has also been analysed in further detail to make comparisons with manufacturer’s steady-state performance data and with consideration to variations in fluid properties. Some modest degradation from stated performance has been identified. The most significant operational factors accounting for degradation of overall system performance have been excessive pump energy demands and short cycling behaviour. Some faults in operation of the system during the monitoring period have also been identified. A series of recommendations are made as to ways to improve the design and operation of large-scale GSHP systems based on this evidence. These recommendations are chiefly concerned with better design for part-load operation, reduction in pump energy demands and more robust control systems.

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.

But : La perte de l’intégrité de la barrière hémo-encéphalique (BHE) est l’une des caractéristiques principales de la sclérose en plaques. Cette augmentation de la perméabilité est associée à une désorganisation des molécules de jonction serrée et à une augmentation de l’expression de molécules d’adhérence essentielles à l’extravasation des cellules immunitaires. Identifier de nouvelles molécules impliquées dans ce processus est donc crucial pour le développement de nouvelles thérapies contre la sclérose en plaques visant à promouvoir l’intégrité de la BHE et à diminuer la migration des leucocytes dans le système nerveux central (SNC) au cours du processus neuro-inflammatoire. Dans cette étude, le rôle spécifique de la molécule d’adhérence ALCAM, qui est exprimé à la surface des cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et de certains sous-types de leucocytes, a été évalué. Méthodologie : À l’aide d’une analyse protéomique exhaustive, notre laboratoire a identifié ALCAM comme étant une molécule d’adhérence surexprimée par les CE-BHE mises en culture dans un milieu pro-inflammatoire. Dans le but d’étudier le rôle spécifique d’ALCAM durant la diapédèse leucocytaire, nous avons induit chez des souris de type sauvages et des souris ALCAM déficientes l’encéphalite auto-immune expérimentale (EAE), le modèle animal de la sclérose en plaques. Le rôle d’ALCAM a aussi été étudié à l’aide d’un système d’adhérence sous flux laminaire. Cet appareil, qui imite un capillaire cérébral, permet de suivre en temps réel le mouvement des leucocytes, soumis à une pression physiologique, dans un tube couvert à sa base par des CE-BHE. Résultats : En utilisant ce système d’adhérence, j’ai pu démontrer que des anticorps dirigés contre ALCAM réduisent de façon significative le roulement et l’adhérence de monocytes CD14+ humains à la surface de CE-BHE. Par ailleurs, ces anticorps préviennent de façon marquée la diminution de la vitesse moyenne des cellules au cours de l’expérience. Par le fait même, j’ai aussi observé une réduction significative de l’extravasation des monocytes traités avec de l’anti-ALCAM au travers de CE-BHE dans un modèle statique de migration. Subséquemment, j’ai démontré que ces monocytes migrent plus rapidement et en plus grand nombre au travers d’une barrière constituée de cellules endothéliales méningées à comparer à des CE-BHE. Bien que des observations similaires ont été effectuées en utilisant des lymphocytes T CD4+ humains ex vivo, j’ai été incapable de reproduire ces résultats à l’aide de cellules Th1 et Th17 réactivées in vitro. Par opposition à nos données in vitro, j’ai découvert que les souris déficientes en ALCAM développent une EAE active plus sévère que celle observée chez des souris de type sauvages. Cette EAE est par ailleurs associée à une infiltration périvasculaire de lymphocytes T pro-inflammatoires et de monocytes/macrophages de type M1 plus marqué chez les souris ALCAM déficientes. L’induction d’une EAE par transfert adoptif, dans laquelle des cellules immunitaires de type sauvage réactivées par du MOG sont injectées à des souris déficientes en ALCAM, suggère que la pathophysiologie observée durant l’EAE active serait liée à l’absence d’ALCAM au niveau de la BHE. Une caractérisation de la barrière des souris ALCAM déficientes non immunisées a par la suite révélé une réduction de l’expression de certaines molécules de jonction serrée. Une analyse plus poussée a par ailleurs démontré qu’ALCAM est lié indirectement à des molécules de jonction serrée des CE-BHE, ce qui expliquerait l’augmentation de la perméabilité de celle-ci chez les souris déficientes en ALCAM. Une analyse de la perméabilité intercellulaire de la BHE effectuée in vitro a d’autre part corrélé ces résultats. Conclusion : Collectivement, nos données prouvent qu’ALCAM joue un rôle prépondérant dans la diapédèse des monocytes, mais pas des lymphocytes Th1 et Th17 au travers de la BHE. Par ailleurs, nos résultats suggèrent qu’ALCAM remplit une fonction biologique cruciale favorisant le maintien de l’intégrité de la BHE en agissant comme molécule adaptatrice intermédiaire entre les molécules de jonction serrées et le cytosquelette. De cette façon, l’absence d’ALCAM au niveau des CE-BHE promeut indirectement le recrutement de leucocytes pro-inflammatoires dans le SNC des souris atteintes de l’EAE en augmentant la perméabilité des vaisseaux sanguins de la BHE. / Aim: The loss of blood-brain barrier (BBB) integrity is a hallmark of multiple sclerosis. It is associated with a disorganization of junctional molecules and an upregulation of cell adhesion molecules essential for immune cell transmigration. Identifying novel key players involved in this process is thus crucial for the development of MS therapies aimed at promoting BBB integrity and decreasing leukocytes trafficking into the central nervous system (CNS) during neuroinflammation. In this study, the specific role of the adhesion molecule ALCAM, found on BBB endothelial cells (BBB-ECs) and subsets of leukocytes, was assessed. Methods: We first identified ALCAM as an important molecule upregulated during inflammation in a proteomic screen of in vitro cultured primary human BBB-ECs. In order to study the effects of ALCAM on leukocyte transmigration, both active and passive experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) was induced in ALCAM KO and WT animals. The specific role of ALCAM during leukocyte transmigration was also assessed using a modified adhesion assay under sheer-stress, in which leukocytes flow across a capillary-like channel lined with a monolayer of BBB-ECs under physiological pressure. Results: Using the modified adhesion assay, we demonstrated that anti-ALCAM blocking antibodies significantly reduce the rolling and the adhesion of human CD14+ monocytes interacting with primary human BBB-ECs, as well as prevent their overall decrease in velocity. Concurrently, we also observed a significant reduction in the migration of ex vivo CD14+ monocytes, across a monolayer of human BBB-ECs. These monocytes also migrated more rapidly and in higher number across meningeal endothelial cells, as compared to BBB-ECs. While similar observations were made using ex vivo CD4+ T lymphocytes, we failed to reproduce these results using in vitro activated Th1 and Th17 cells. In opposition to our in vitro data, ALCAM KO mice developed a more severe active EAE associated with a significant increase in perivascular infiltration of pro-inflammatory lymphocytes (Th1/Th17) and M1 monocytes/macrophages, as compared to WT controls. In addition, EAE transfer experiments, in which ALCAM KO mice received WT MOG-reactivated splenocytes, suggested that the pathophysiology observed in active EAE was linked to the absence of ALCAM on BBB-ECs. Phenotypic characterization of un-immunized ALCAM KO mice revealed a reduced expression of BBB junctional proteins. Further analysis showed that ALCAM is indirectly associated with tight junction molecules of the BBB-ECs, which explains the increased CNS parenchymal blood vessel in vivo permeability in ALCAM KO animals. Correlating with these data, primary culture of mouse brain BBB-ECs was shown to possess a lower TEER and an increased permeability coefficient. Conclusion: Collectively, our data provide evidence of the implication of ALCAM in monocyte transmigration, but not Th1 or Th17 lymphocyte diapedesis across CNS endothelium. Our results also point to a biologically crucial function of ALCAM in maintaining BBB integrity by acting as an adaptor molecule between tight junctions and the cytoskeleton. As such, the absence of ALCAM at the level of BBB-ECs indirectly promotes the recruitment of pro-inflammatory leukocytes in the CNS of EAE animals by increasing the BBB vessels permeability.

L’échec thérapeutique des maladies cérébrales est lié, entre autres, à la présence de barrières entre le sang et le Système Nerveux Central (SNC), en particulier la Barrière Hémato-Encéphalique (BHE). La BHE est une structure neuro-vasculaire localisée au niveau des MicroVaisseaux Cérébraux (MVC) limitant l’entrée des molécules thérapeutiques dans le cerveau. Ce rôle barrière est dû à plusieurs facteurs, dont principalement, l’existence du côté luminal et/ou abluminal de la BHE de plusieurs transporteurs d’efflux, dont les transporteurs de type ABC (ATP Binding Casette) et SLC (SoLute Carrier) et qui sont à l’origine des phénomènes de résistance aux médicaments. Les études de recherche actuelles visent à identifier les voies de signalisation régulant l’activité de ces protéines d’efflux afin d’optimiser la pharmacothérapie cérébrale. Mais la majorité de ces études sont effectuées chez l’adulte. Très peu de données existent chez l’enfant.Cette étude a été réalisé dans la perspective de 1) Etudier l’ontogenèse des transporteurs ABC et SLC de la BHE au cours de la maturation cérébrale, 2) Elucider le rôle fonctionnel de quatre transporteurs d’efflux ((P-glycoproteine (P-gp), Breast Cancer Resistance Protein (bcrp), Organic Anion Transporter 3 (oat3), and Transporting Peptide 1a4 (oatp1a4) transporters) dans le cerveau des enfants et 3) Elucider les mécanismes qui régulent leur expression fonctionnelle dans des conditions normales et pathologiques, notamment inflammatoires, parce que des modifications dans les composantes structurales et fonctionnelles de l'unité neurovasculaire ont été rapportées dans une longue liste de pathologies du SNC chez les enfants et les adultes. Nos résultats ont montré l’existence de différences fonctionnelles, en terme de passage de molécules, entre la BHE pédiatrique et celle adulte. De plus, cette étude a mis en évidence une régulation différentielle liée à l'âge des transporteurs d'efflux de médicaments de la barrière dans des conditions normales et inflammatoires.Ces résultats fournissent des preuves sur l’intérêt de prendre en compte les propriétés spécifiques de la BHE pédiatrique et la distinguer de la BHE adulte lors des définitions des stratégies thérapeutiques destinées à traiter les maladies cérébrales chez les enfants. / One major reason of CNS pharmacotherapy’s impediment is the existence of “barriers” between blood and CNS, especially the Blood-Brain Barrier (BBB), a neurovascular structure localized at the level of brain microvasculature. Main factors responsible for this barrier function are drug efflux transporters type ABC (ATP-Binding Cassette) and SLC (SoLute Carrier) expressed at BBB level and known to be at the origin of multi-drug resistance phenomenon. Recent researches aim at unraveling the signaling mechanisms regulating these transporters in order to modulate their activity and improve pharmacotherapy in brain diseases. For years, these transporters have been studied in adult organism. But, there is a wide spread belief that the BBB in embryo, fetus, new born and infant is “immature”, implying caution in giving drugs to infants. However, current knowledge on the functional status of the BBB in immature organism remains very limited.This study was performed in the aim of understanding: 1) The ontogenesis of ABC and SLC transporters during brain maturation, 2) the functional role of four BBB drug efflux transporters (P-glycoprotein (P-gp), Breast Cancer Resistance Protein (bcrp), Organic Anion Transporter 3 (oat3), and Transporting Peptide 1a4 (oatp1a4) transporters) in children’s brain, and 3) the mechanisms that regulate their functional expression under normal and pathological conditions, mostly under inflammatory conditions, because indeed alterations in structural and functional components of the BBB have been reported in a long list of CNS pathologies in adults. Our results showed changing properties of the BBB during ontogenesis, as well as an age-related differential regulation of BBB drug efflux transporters under normal and inflammatory conditions.These findings highlight the importance of considering an age-related response of CNS to drugs and of taking into account the specific properties of juvenile BBB during definition of therapeutic strategies designed to treat childhood brain diseases, and this in the clinical perspective of developing new drugs with enhanced efficacy in children’s CNS.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) protège le système nerveux central (SNC) des fluctuations plasmatiques des molécules endogènes, mais aussi exogènes, et notamment des molécules à potentiel thérapeutique. L’imperméabilité de la BHE est compensée par la présence de mécanismes qui assurent le transport transendothélial des nutriments nécessaires au tissu nerveux, parmi lesquels la transcytose relayée par différents récepteurs. Dans le but d’améliorer le transfert d’agents thérapeutiques à travers la BHE, nous développons des « vecteurs » qui se lient à certains de ces récepteurs. Au cours de notre thèse, nous avons développé et optimisé des modèles in vitro de BHE et barrière sang-moelle épinière (BSME) syngéniques de rats et souris, basés sur la co-culture de cellules endothéliales microvasculaires (CEMs) cérébrales (CEMCs) ou spinales (CEMSs) et d'astrocytes. Parmi les récepteurs étudiés, nous montrons que le LDLR est exprimé à la membrane plasmique apicale des CEMCs et qu’il est impliqué dans la transcytose du LDL tout en évitant le compartiment lysosomal, confirmant l’intérêt de son ciblage dans nos approches. Nous montrons que nos vecteurs, conjugués à une molécule organique ou à un cargo protéique, sont endocytés par les CEMCs de façon LDLR-dépendante, évitent le compartiment lysosomal et franchissent la monocouche de CEMCs. Nous avons également mis en place des modèles in vitro de BHE et BSME enflammés, sachant que l’inflammation des CEMs est associée à de nombreuses pathologies du SNC. Ces modèles seront utiles pour évaluer des stratégies de vectorisation ciblant préférentiellement les structures du SNC en situation pathologique. / The blood-brain barrier (BBB) protects the central nervous system (CNS) from plasma fluctuations of endogenous, but also exogenous molecules, including therapeutic molecules. The BBB’s restrictive properties are compensated by the presence of different mechanisms that provide transport of nutrients across the BBB, including transcytosis of endogenous ligands mediated by receptors. Our objective is to improve drug delivery across the BBB and we developed “vectors” that target different recpetors. During our thesis we developed and optimized cellular tools and approaches, in particular syngeneic in vitro models of the BBB and blood-spinal cord barrier (BSCB) from both rat and mouse, based on the co-culture of brain (BMECs) or spinal cord (SCMECs) microvascular endothelial cells (MECs) and astrocytes. Among the receptors we studied, we show that the LDL receptor (LDLR) is expressed at the apical plasma membrane of BMECs and confirmed that it is involved in transcytosis of LDL through the vesicular compartment, while avoiding the lysosomal compartment, further establishing its interest as a target receptor. We show that our vectors conjugated to an organic molecule or to a protein cargo are endocytosed by BMECs in a LDLR-dependent manner, avoid the lysosomal compartment and cross the BMEC monolayers. Finally, we developed BBB and BSCB in vitro models in inflammatory conditions, considering that MECs inflammation is associated with many CNS lesions and pathologies. These models will be useful to better understand the inflammatory processes of CNS endothelial cells and to evaluate vectorization strategies preferentially targeting CNS structures in pathological condition.

La barrière hémo-encéphalique (BHE) est formée des cellules endothéliales microvasculaires cérébrales reliées entre elles par des jonctions serrées. Grâce à sa perméabilité restreinte et sélective, la BHE entrave le passage des molécules et cellules du sang vers le système nerveux central (SNC). Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), une maladie inflammatoire du SNC, la rupture de la BHE permet aux cellules immunes actives d'infiltrer le tissu cérébral. Il s'ensuit une réaction inflammatoire excessive au cours de laquelle d'autres leucocytes sont recrutés dans le cerveau et qui culmine par la formation des plaques de démyélinisation caractéristiques de la SEP. On dénote au niveau de ces lésions une présence importante de lymphocytes T CD4⁺ activés et de cytokines pro-inflammatoires propres à une réponse de type TH1, tels l’IFN-γ et l’IL-1. Curieusement cependant, l’inhibition de la voie TH1 n’empêche pas l’apparition de la maladie dans le modèle murin de la SEP et en aggrave même les symptômes. On attribue maintenant aux lymphocytes TH17, nommées en raison de leur capacité à produire de l’IL-17, un rôle clé dans le développement de la maladie. L’objectif de ce travail de thèse visait à caractériser les lymphocytes TH17 chez l’humain et définir leur contribution exacte dans la fragilisation de la BHE, une étape décisive dans la formation des lésions de SEP. Pour ce faire, nous avons mis au point une méthode expérimentale permettant l’expansion in vitro de populations de lymphocytes TH17 à partir de cellules mononuclées du sang de donneurs sains. Nos travaux démontrent que l’IL-23 induit la production d’IL-17, d’IL-22 et de granzyme B par les lymphocytes T CD4⁺CD45RO⁺ mémoires humains et qu’une proportion des cellules exprime de manière concomitante de l’IL-17 et de l’IFN-γ. La fréquence des lymphocytes T CD4⁺ IL17⁺, IL-22⁺ et des doubles positifs IL-17⁺IFN-γ⁺ est significativement plus élevée dans les lignées de lymphocytes TH17 provenant de patientes en poussée que dans celles de contrôles. Nos analyses démontrent que les cellules endothéliales de la BHE expriment de faibles niveaux des récepteurs de l’IL-17 et de l’IL-22 à l’état basal mais que leur présence est accrue dans le cerveau de patients atteints de SEP. L’activation du récepteur de l’IL-17 entraîne une augmentation de la perméabilité de la BHE et une perturbation de l’organisation des protéines de jonction occludine et ZO-1. Finalement, nous démontrons que la migration des lymphocytes TH17 à travers la BHE est régie en grande partie par la molécule d’adhérence ICAM-1 et que les lymphocytes qui co-expriment l’IL-17 et l’IFN-γ sont plus aptes à franchir la BHE que ceux qui produisent uniquement l’une ou l’autre de ces cytokines. Nous retrouvons d’ailleurs des cellules qui expriment simultanément les facteurs de transcription T-bet et RORC, associés respectivement aux lymphocytes TH1 et aux TH17, au sein des infiltrats péri-vasculaires des lésions actives de SEP. Les travaux présentés dans cette thèse auront permis d’affiner nos connaissances sur les mécanismes d’entrée des lymphocytes TH17 dans le SNC et les propriétés délétères des cytokines qu’ils sécrètent, notamment dans l’activation et la déstabilisation de l’endothélium cérébral. / The blood-brain barrier (BBB) plays a crucial role in protecting the central nervous system (CNS) by restricting entry of cells and molecules into the brain. In the CNS disorder multiple sclerosis (MS), breakdown of the BBB allows activated leukocytes to infiltrate the brain parenchyma, leading to the formation of the characteristic demyelinated lesions. For decades, MS was viewed as a TH1-mediated disease, a notion that was largely supported by studies in its animal model and by the abundance of prototypical TH1-associated cytokines within active MS lesions. However, over the years, accumulating evidence has highlighted the involvement of another subset of CD4⁺ T cells that express IL-17, therefore named TH17 lymphocytes, in the pathology of the disease. The goal of the work presented herein was to characterize the human TH17 lymphocyte population and define their contribution to the disruption of the BBB and leukocyte infiltration into the CNS, both important early events in the formation of MS lesions. To do so, we developed and optimized a method to successfully generate human TH17 lines in vitro from peripheral blood mononuclear cells of healthy donors. We demonstrate that in response to IL-23, human memory CD4⁺CD45RO⁺ but not naïve CD4⁺CD45RA⁺ T lymphocytes produce IL-17, IL-22, and granzyme B, with a subset of cells simultaneously expressing IL-17 and IFN-γ. Interestingly, we measure a significant increase in the percentage of T CD4⁺ IL17⁺, of IL-22⁺, and of IL-17⁺IFN-γ⁺ dual producers in TH17 cell lines expanded from the peripheral blood of acutely relapsing MS women as compared to those generated from healthy controls and remitting MS patients. We show that both IL-17 and IL-22 receptors are upregulated on BBB endothelial cells in situ during inflammation and that IL-17 enhances BBB permeability by disrupting the integrity of tight junction proteins occludin and ZO-1. Finally, we provide evidence that TH17 lymphocytes transmigrate efficiently across human brain endothelial cells via the adhesion molecule ICAM-1 and show that IL-17⁺IFN-γ⁺ double producers have an increased propensity to do so. Accordingly, we detect lymphocytes that display immunoreactivity against both the TH1- and TH17-associated transcription factors T-bet and RORC within perivascular infiltrates of active MS lesions. The work presented in this thesis has refined our understanding of the mechanisms that drive TH17 lymphocyte recruitment into the CNS and shed light on the deleterious effect of TH17-secreted cytokines, specifically in the activation and breakdown of the BBB.

GSHP systems are common in Sweden but there are few evaluations quantifying the performance of the systems and highlighting problem that occurs during operations. The research project Annex 52 Long-term performance measurement of GSHP systems serving commercial, institutional and multifamily building part of IEA HPT TCP proves the need to systematically be able to evaluate GSHP systems. This thesis aims to expand the knowledge of how to evaluate GSHP systems and provide case studies for Annex 52. Three residential ground source heating systems used for heating has been evaluated and analyzed in this study. The evaluation has consisted of three parts. The first part analyzes the operation and stability of the GSHP systems. The second part consist of a detailed study of the performance of the GSHP systems. The seasonal performance factor has been calculated for different system boundaries based on the work done by SEPEMO. In addition, a method on how to evaluate the efficiency of the heat pumps based on the two temperature levels, source side temperature and the heat sink temperature, that the heat pump is operating at throughout a year has been developed within this thesis. This has included a method on how to normalize the temperatures based on the operation of the heat pump in order to quantify one temperature for each the two temperature levels. The third part consist of a comparison of the mean secondary fluid temperature between the calculated temperature using the software EED and the measured temperatures. This includes a comparison evaluation and sensitivity analysis on input parameters during the design of the borehole heat exchanger fields. This study has expanded the available reference cases of GSHP systems in Sweden. It also can be used as a guideline for those who will evaluate future GSHP systems. Designers of GSHP system will also benefit from the recommendations listed in this thesis regarding instrumentation and possible problems that may occur. The results show that the evaluation successfully managed to quantify the performance and operational issues that have occurred for each system. The method developed in this study was able to quantify the operation of the different systems based on the temperature levels and can be used for future GSHP evaluations of similar system type. / Bergvärmesystem är vanligt förekommande i Sverige men trots detta finns det få studier där prestandan har utvärderats och de vanligt förekommande problemen under drift har belysts. Forskningsprojektet Annex 52 Annex 52 Long-term performance measurement of GSHP systems serving commercial, institutional and multi-family building som är en del av IEA HPT TCP visar på behovet av att systematisk utvärdera bergvärmesystem. Detta examensarbete syftar till att utveckla och bidra till kunskap om hur bergvärmesystem kan utvärderas och att bidra med exempelstudier till Annex 52. Inom detta examensarbete har tre bergvärmesystem som betjänar flerbostadshus utvärderats och analyserats. Utvärderingen bestod av tre analyser. I den första analyserades driften av bergvärmesystemen och hur stabilt systemet har varit historiskt. Detta följdes av en detaljerad analys av olika nyckeltal för bergvärmesystemen. Årsverkningsgraden har beräknats för olika gränsdragningar vilka baseras på det tidigare arbetet utfört av SEPEMO. Inom detta examensarbete har även en metod tagits fram för att utvärdera verkningsgraderna för en värmepump baserat på de två temperaturnivåerna, köldbärarsidan och värmebärarsidan, som värmepumpen arbetar med under ett år. Till detta har en metod tagits fram om hur temperaturen kan normaliserats baserat på driften av värmepumparna för att kvantifiera en temperatur vardera för de två temperaturnivåerna. I den tredje utvärderingen jämfördes den beräknade medelfluidtemperaturen av köldbäraren i borrhålen med den uppmätta temperaturen. Till detta utfördes en känslighetsanalys av hur indata av dessa beräkningar påverkar resultaten.

Tesis por compendio / [ES] Uno de los mayores retos para el mercado de bombas de calor geotérmicas es el alto coste asociado a la perforación de los intercambiadores de calor geotérmicos. Conseguir unos intercambiadores de calor geotérmicos más eficientes reduciría dicho coste, ya que sería necesaria una menor longitud de intercambiador para obtener las mismas temperaturas de trabajo en él (misma eficiencia de la bomba de calor). La eficiencia térmica de un intercambiador de calor geotérmico está caracterizada por su resistencia térmica. Dicha resistencia térmica depende de una serie de elementos entre los que se encuentran: propiedades y caudal del fluido que recorre el intercambiador de calor, diámetro de la perforación geotérmica, geometría y materiales de la tubería del intercambiador de calor y las propiedades del material de relleno de la perforación (grouting). Cuanto mayor sea la resistencia térmica del intercambiador de calor, menor será el calor transferido entre el fluido caloportador y el terreno, traduciéndose en una necesidad mayor de longitud de intercambiador enterrado. Por lo tanto, es necesario una reducción de este parámetro al mínimo posible. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en, a partir de un modelo analítico comprensivo de cuantificación del impacto de los parámetros anteriores, realizar un estudio detallado para analizar su influencia combinada en la resistencia térmica del intercambiador geotérmico, pero también examinando dicho efecto en otros planos, como costes económicos de ejecución del intercambiador y de explotación (consumo eléctrico de la bomba de calor y costes de bombeo asociados). / [CA] Un dels majors reptes per al mercat de bombes de calor geotèrmiques és l'alt cost associat a la perforació dels bescanviadors de calor geotèrmics. Aconseguir uns bescanviadors de calor geotèrmics més eficients reduiria aquest cost, ja que seria necessària una menor longitud de bescanviador per a obtenir les mateixes temperatures de treball en ell (mateixa eficiència de la bomba de calor). L'eficiència tèrmica d'un bescanviador de calor geotèrmic està caracteritzada per la seva resistència tèrmica. Aquesta resistència tèrmica depèn d'una sèrie d'elements entre els quals es troben: propietats i cabal del fluid que recorre el bescanviador de calor, diàmetre de la perforació geotèrmica, geometria i materials de la canonada del bescanviador de calor i les propietats del material de farciment de la perforació (grouting). Com més gran sigui la resistència tèrmica del bescanviador de calor, menor serà la calor transferida entre el fluid termòfor i el terreny, traduint-se en una necessitat major de longitud de bescanviador enterrat. Per tant, és necessari una reducció d'aquest paràmetre al mínim possible. En conseqüència, l'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral consisteix en, a partir d'un model analític comprensiu de quantificació de l'impacte dels paràmetres anteriors, realitzar un estudi detallat per a analitzar la seva influència combinada en la resistència tèrmica del bescanviador geotèrmic, però també examinant aquest efecte en altres plans, com a costos econòmics d'execució del bescanviador i d'explotació (consum elèctric de la bomba de calor i costos de bombament). / [EN] One of the biggest challenges for the ground source heat pump market is the high cost associated with drilling geothermal borehole heat exchangers. Achieving more efficient geothermal heat exchangers would reduce this cost, since a shorter exchanger length would be required to obtain the same working temperatures in it (same efficiency of the heat pump). The thermal efficiency of a geothermal heat exchanger is characterized by its borehole thermal resistance. This borehole thermal resistance depends on a number of parameters, mainly: properties and flow rate of the working fluid that flows through the borehole heat exchanger, diameter of the geothermal borehole, geometry and materials of the heat exchanger pipe and the properties of the borehole grouting material. The higher thermal resistance of the heat exchanger, the less heat is transferred between the heat carrier fluid and the ground, resulting in an increased requirement for the length of the buried heat exchanger. Consequently, it is essential to reduce this parameter to the minimum possible. Therefore, the main objective of this Ph. Doctoral Thesis is to carry out, based on a comprehensive analytical model of quantification of the impact of the above mentioned parameters, a detailed study to analyze their combined influence on the thermal resistance of the geothermal borehole, but also exploring this effect in other less researched areas, such as economic costs of running the exchanger and operating it (electricity consumption of the heat pump and associated pumping costs). / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program under grant agreement No [657982], [727583] and [792355]. / Badenes Badenes, B. (2020). Optimización teórico-experimental de sondas de calor para intercambio geotérmico (SGE) según condiciones hidrogeológicas, características geométricas y propiedades de sus materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160477 / Compendio