Les capteurs électrochimiques sont des outils pour la détection fiable, peu coûteux, avec une haute sensibilité et sélectivité, pour la détermination des composés biologiques et chimiques dans les domaines du diagnostic clinique, l'environnement et l'industrie alimentaire. Particulièrement, les Immunocapteurs, alliant une très grande spécificité. Également des nouveaux techniques produisent des résultats similaires, par exemple, les capteurs basés sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire, la quelle produise des récepteurs artificiels. La technique devient très important dans les sciences bioanalytiques parce qu'il porte des avantages inhérents sur les récepteurs naturels: une grande stabilité dans des diffèrent environnement et conditions, également comptent avec une grande flexibilité dans la conception, une large gamme de molécules peuvent être utilisées. L'objectif du travail présenté ici est de développer des capteurs électrochimiques avec une très grande affinité et spécificité pour une analyte. Les quelles comprennent des applications très divers comme dans la protection de l'environnement, la sécurité alimentaire et le domaine biomédical. La première partie de la thèse présent l'état actuel de la conception et techniques de fabrication des biocapteurs. Ensuite, les aspects généraux des immuno capteurs électrochimiques et capteurs base sur des aptamères sont présentés ici, ainsi que plusieurs exemples rapportés dans la littérature pour la détection de marqueurs biologiques du cancer. Les avantages de l'intégration nanomatériaux dans les dispositifs de détection sont présentés. Ensuite, plusieurs aspects sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire sont introduits. La partie personnelle de contribution est structuré en trois chapitres: en premier temps la méthodologie et les résultats obtenus pour le développement de deux essais biologiques pour la détection du marqueur tumoral Mucinl. Le premier chapitre est dédié sur un capteur à base de billes magnétiques, dans le deuxième chapitre une capteur aptamère base sur des nanoparticules d'or sans aucun marquage et finalement un capteur basée sur la technique des Polymères à empreinte moléculaire, cette protocole a été appliqué pour la détection d'explosifs, des médicaments, des hormones et les pesticides / Electrochemical sensors provide reliable and inexpensive tools for the determination of biological and chemical compounds with high sensitivity and selectivity, in the fields of clinical diagnosis, environment protection and food industry. Immunosensors hold particular promise, combining the high specificity of immuno- reactions with the sensitivity of electrochemical methods. Artificial receptors based on molecularly imprinted technique attracted considerable attention in bioanalytical sciences due to inherent advantages over natural receptors, such as high stability in harsh conditions and freedom of molecular design towards a wide range of molecules. The aim of the thesis presented here was to develop electrochemical affinity sensors based on various recognition receptors for environment monitoring, food safety and biomedical field. The first part of the thesis reviews the current state of knowledge in these fields. General aspects of electrochemical immuno- and apta-sensors are presented herein, together with several examples reported in the literature for the detection of cancer biomarkers. The advantages of integrating nanomaterials in sensing devices are then presented. At last, several aspects of the molecularly imprinted polymers are introduced. The personal contribution part is structured in three chapters, that include the methodology and results obtained for the development of biosensors for the detection of Mucinl tumor marker, the first chapter being focused on bioassays based on magnetic beads and second chapter on a label-free aptasensor based on gold nanoparticles, and finally, a third chapter dedicated to the molecularly imprinted-based sensors for the detection of explosives, drugs, hormones and pesticides

Les traitements pharmacologiques symptomatiques de la maladie d’Alzheimer (MA) actuellement commercialisés ont un effet modeste sur le fonctionnement cognitif. De plus, le développement clinique de nouveaux composés plus efficaces est freiné par l’absence de critères prédictifs pour juger précocement de leur efficacité clinique.Dans ce contexte, l’électroencéphalographie (EEG) pourrait constituer un bio-marqueur suffisamment sensible pour identifier précocement (Phase I) le potentiel thérapeutique d’une nouvelle molécule sur le fonctionnement cognitif. De plus, la difficulté pour détecter des améliorations subtiles dans les performances cognitives en Phase I (i.e. chez des sujets sains) pourrait être palliée par le développement de paradigmes expérimentaux, tels que la privation de sommeil (PS), visant à induire des déficits cognitifs réversibles chez le sujet sain.Ainsi, l’EEG et l’EEG couplée à la privation de sommeil (PS) seraient des stratégies innovantes et pertinentes pour juger et prédire l’efficacité clinique d’une molécule en Phase I.Dans ce travail, nous tentons de juger de la pertinence de telles stratégies en identifiant, chez des sujets sains, des marqueurs EEG du fonctionnement cognitif liés soit (1) à la prise d’un médicament ayant un effet sur la cognition, (2) soit à l’induction d’un déclin cognitif réversible, (3) soit à l’effet concomitant des deux paramètres. Pour y parvenir, deux études ont été réalisées.Dans une première étude, l’effet du donepezil sur l’activité électrique corticale a été étudié chez 30 volontaires adultes, jeunes et sains. Ces volontaires ont été traités par donepezil (5 mg/jour per os) (vs. placebo) pendant 15 jours suivant une procédure en double aveugle, randomisée et en cross-over. _x000D_A la fin de la période de traitement, un EEG (58 voies) a été réalisé au cours de deux tâches attentionnelles (auditive et visuelle). Les potentiels évoqués cognitifs (PEC), la cohérence de phase inter-essais (ITC) et la perturbation spectrale liée à l’événement (ERSP) ont ensuite été calculés.Dans une deuxième étude, l’effet d’une PS a été étudié chez 36 volontaires adultes, jeunes et sains. De plus, l’effet d’un médicament ayant un effet bien connu sur la cognition (en particulier sur la vigilance), le modafinil, a également été étudié sur cette PS.Suite à une PS de 24 h, les participants se sont vus administrés une dose de modafinil (200 mg en prise unique) (vs. placebo) suivant une procédure en double aveugle, randomisée et en cross-over. Un EEG (25 voies) a été réalisé au cours d’une tâche attentionnelle auditive (identique à celle de l’étude I) avant et après la PS. Les PEC, l’ITC et l’ERSP ont ensuite été calculés.Grâce à ces deux études, nous avons identifié, à l’échelle de groupe, des marqueurs EEG de la cognition liés soit à l’induction d’un déclin cognitif (induit par une PS), soit à l’intervention pharmacologique ciblant le système cholinergique (donepezil) ou différents neurotransmetteurs (modafinil). L’ensemble de ces marqueurs porterait sur la modulation de l’activité corticale au sein du réseau fronto-pariétal ventral, connu pour régir les processus attentionnels et exécutifs. Nous avons également confirmé que ce réseau serait sous-tendu par des activités oscillatoires δ/θ et α. L’efficience cognitive serait le reflet de l’intégrité de ce réseau.Nous avons conclu que l’EEG est un outil suffisamment sensible pour détecter des changements subtils dans les processus neurocognitifs de participants adultes, jeunes et sains suivant l’administration d’un traitement de la MA et de manière plus générale suivant l’administration d’un médicament ayant un effet sur la cognition lorsqu’un déclin cognitif est provoqué (PS).Sous réserve de réplication des résultats et d’analyses complémentaires, l’EEG ainsi que l’EEG couplée à la PS pourraient constituer des outils additionnels à l’évaluation cognitive pour prédire l’efficacité de nouveaux candidat médicaments de la MA. / Symptomatic pharmacological treatments currently marketed for Alzheimer’s disease (AD) have a modest effect on cognitive functioning. In addition, the clinical development of new and more effective compounds is hampered by the lack of predictive criteria to judge their early clinical efficacy.In this context, electroencephalography (EEG) could be a sufficiently sensitive biomarker to identify in an early stage (i.e. Phase I) the therapeutic potential of a new molecule on cognitive functioning. In addition, the difficulty to detect subtle improvements in cognitive performance in Phase I (i.e. in healthy subjects) could be overcome by the development of experimental paradigms such as sleep deprivation (SD), to induce cognitive deficits, still reversible in healthy subjects.EEG and EEG coupled with sleep deprivation (SD) would be innovative and relevant strategies to determine and predict the clinical effectiveness of a molecule in Phase I.In this work, we try to determine the relevance of such strategies by identifying, in healthy subjects, EEG markers of cognitive functioning related to (1) either the taking of a cognitive drug, (2) or the induction of a reversible cognitive decline, (3) or concomitant effects of the two parameters. In order to do that, two studies were performed.In a first study, the effect of donepezil on cortical electrical activity was studied in 30 young, healthy adult volunteers. These volunteers were treated with donepezil (5 mg/day orally) (vs. placebo) for 15 days following a double-blind, randomized, cross-over trial.At the end of the treatment period, an EEG (58 electrodes) was performed during two attentional tasks (auditory and visual). Event-related potentials (ERP), the inter-trial coherence (ITC) and the event-related spectral perturbation (ERSP) were then calculated.In a second study, the effect of SD was studied in 36 young, healthy adult volunteers. In addition, the effect of a cognitive drug (involving high alertness), the modafinil was also studied on this SD._x000D_Following a SD of 24 h, the participants were administered a dose of modafinil (200 mg in a single dose) (vs. placebo) in a double-blind, randomized, cross-over trial. An EEG (25 electrodes) was performed in a hearing attentional task (identical to that of Study 1) before and after the PS. The ERP, ITC and ERSP were then calculated.Through these two studies, we have found, at the group level, cognitive EEG markers related either to the induction of cognitive decline (SD) or pharmacological intervention targeting cholinergic system (donepezil) or several neurotransmitters (modafinil). All these markers would concern the modulation of cortical activity in the ventral frontoparietal network, known to regulate attentional and executive processes. We also confirmed that the network is underlying by δ/θ and α oscillatory activities. The cognitive efficiency would reflect the integrity of the network.We conclude that EEG is a sufficiently sensitive tool to detect subtle changes in neurocognitive processes of young, healthy adult volunteers, following the administration of a treatment of AD and more generally following the administration of a drug having an effect on cognition when cognitive decline is caused (SD).EEG and EEG coupled with SD could constitute additional tools to the current cognitive assessment for predicting the efficacy of new drug candidates for AD before initiation Phases II/III clinical trials. However, the present works needs to be replicated so that the EEG markers described here can be validated so as to be used in drug trials.

Le typage bactérien est une mesure de contrôle essentielle pour lutter contre la diffusion des bactéries multirésistantes, mais les techniques actuelles sont longues et coûteuses. L'objectif de cette thèse était d'évaluer la capacité de la technique MALDI-TOF MS à typer les 3 principales espèces bactériennes responsables d'infections nosocomiales - Escherichia coli, Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa. L'analyse par MALDI-TOF MS permet d'identifier les souches de E. coli appartenant au phylogroupe B2, souches les plus virulentes parmi les souches extra-intestinales, et au STI 31, clone très impliqué dans la dissémination des P-lactamases à spectre étendu. Chez S. aureus, cette technique reconnait les souches appartenant au CC398, impliquées dans une proportion importante d'infections graves chez des personnes fragiles. La technique MALDI-TOF MS identifie également cinq clones de P. aeruginosa à haut risque épidémique - STI 11, STI 75, ST235, ST253, ST395. Si nous avons confirmé des pics caractéristiques du phylogroupe B2 décrit également par d'autres auteurs, les pics biomarqueurs identifiant E. coli ST131 ou des clones épidémiques de S. aureus varient suivant les études. Différents paramètres peuvent influencer les résultats de typage par MALDI-TOF MS et doivent donc être standardisés. La technique MALDI-TOF MS permet d'identifier certains clones épidémiques. En gardant à l'esprit que le choix d'une méthode de typage doit être fait en fonction des objectifs mais aussi des performances des différents systèmes disponibles, la technique MALDI-TOF MS pourrait se positionner comme un outil de typage de première ligne. / Bacterial typing is crucial to tackle the spread of bacterial pathogens but current methods are time-consuming and costly. The objective of this study was to evaluate the ability of MALDI-TOF MS to type the 3 main bacterial species re.sponsible for nosocomial infections - Escherichia coti, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Analysis of MALDI-TOF mass spectra allow the identification (i) of E. coti isolates belonging to phylogroup B2, that fosters the most virulent extra-intestinal strains, and (ii) of E. coli STl 31, a clone involved in the dissemination of extended-spectrum β-lactamases. MALDI-TOF MS also recognizes S. aureus isolates belonging to CC398, a pathogen responsible for invasive infections in fragile patients and associated with a higher 30-day mortality. Furthermore the MALDI-TOF MS based typing method identifies the major high risk epidemic clones of P. aeruginosa STl 11, STl 75, ST235, ST253, and ST395. We confirmed phylogroup B2 specific peaks also described by other authors. However the identification of E. coli STl 31 or epidemic clones of S. aureus is based on biomarkers that differs between studies. Different parameters can influence the MALDI-TOF MS typing results and must therefore be standardized. MALDI-TOF-based typing methods allow the detection of epidemic pathogens. Keeping in mind that the choice of a method for routine bacterial typing should be made according to the objectives but also the performance of the different systems available, the MALDI-TOF MS technique could become a first-line typing method.

Le domaine de l'oncologie progresse de manière rapide, surtout depuis l'avènement des thérapies ciblées. Parmi elles, les inhibiteurs de tyrosine kinase multicible (ITK) antiangiogéniques ont fait la preuve de leur efficacité dans plusieurs types de cancers métastatiques. Le sorafenib, le sunitinib, le pazopanib, l'axtinib, et le regorafenib sont aujourd'hui utilisés en pratique courante. Ces premières thérapeutiques ont ouvert la voie au développement de nombreuses autres molécules ciblant d'autres récepteurs TK (crizotinib, céritinib). Les ITK ciblant les récepteurs de l'angiogénèse inhibent des récepteurs membranaires tels que les VEGFR, les PDGFR, les FGFR etc. Ces molécules améliorent généralement survie et/ou survie sans progression dans les essais cliniques pivots mais il existe une grande variabilité interindividuelle en termes de bénéfice clinique. Nous avons cherché à mettre en évidence des biomarqueurs moléculaires prédictifs de la réponse, afin de mieux sélectionner les patients susceptibles de bénéficier de ces ITKs. L'objectif final de ce travail est ainsi de mieux sélectionner les patients candidats à ce traitement, mais il est également médico économique. La part la plus importante de ce travail est axée sur le regorafenib, qui a fait preuve de son efficacité dans les cancers colorectaux métastatiques prétraités et les tumeurs stromales gastro-intestinalesen échec d'imatinib et de sunitinib. Cependant, aucun paramètre clinique ou histologique n'a été identifié pour sélectionner les patients potentiels pouvant bénéficier de ce traitement, ou, à l'inverse pour éviter de traiter les patients chez lesquels la balance bénéfice/risque est défavorable. Ce travail a été réalisé dans le cadre de programme ProfiLER (NCT01774409) en partenariat avec les plateformes de génomique tumorale (Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, Centre Léon Bérard). Cette étude avait pour objectif de tester l'hypothèse que l'ensemble des altérations des gènes codant pour les kinases cibles d'un ITK donné pourrait être associé au bénéfice clinique de ce traitement. Dans notre étude, nous avons observé que les cancers des patients présentant un bénéfice clinique accumulent des gains chromosomiques sur les gènes cibles, et à l'inverse, les cancers des patients nonrépondeurs possèdent plutôt un profil inverse. L'index génomique, un paramètre évaluant l'instabilité chromosomique ne permet pas de différencier les patients répondeurs, mais nous avons mis en évidence que l'accumulation de certains gains sur les gènes cibles est associée à une meilleure survie. Nous avons ainsi proposé un nouveau concept : celui de TTC (Tumor Target Charge), la somme des gains sur les gènes cibles ; et à l'inverse, celui de TTL (Tumor Target Loss), la somme des pertes sur les gènes cibles. En nous appuyant sur ces définitions de TTC et TTL, nous avons généré un algorithme nommé SUMSCAN traduisant donc la somme des gains et des pertes sur les gènes cibles. Le score SUMSCAN a été appliqué à une première cohorte composée essentiellement de patients ayant un cancer colorectal métastatique et traités par regorafenib, ainsi qu'à une 2ème cohorte de validation composée des patients ayant différentes pathologies néoplasiques. Chez les patients ayant un cancer colorectal « moléculairement sélectionné», la médiane de survie sans progression était de 9 mois contre 3 mois dans la cohorte de patients non sélectionnés (X. JIANG et al, Oncotarget, 2015). Nous avons pu montrer que le principe de ce score pronostique pouvait s'appliquer aux autres antiangiogéniques multi-ITKs.. Nous sommes ainsi en cours de validation de ce score pour la prédiction de la survie sur de larges populations de patients présentant divers types tumoraux : sarcome des tissus mous, carcinomes ovariens de haut grade, carcinome rénal carcinome de la thyroïde, etc.) / Small molecule antiangiogenic tyrosine kinase inhibitors (TKI), such as regorafenib, sorafenib, sunitinib, pazopanib, axitinib, and cabozantinib, are active in a variety of advanced cancers, including renal cell carcinoma (RCC), gastrointestinal stromal tumors (GIST), hepatocellular carcinoma (HCC), colorectal cancer (CRC) and thyroid cancers. Predictive criteria for response to these multiple kinase inhibitors (MTKI) are not as well determined as for tumors harboring key driver alterations, such as BCR-ABL translocations in chronic myeloid leukemia (CML), KIT-mutant GIST, BRAF-mutant melanoma, and ALK-positive non-small cell lung cancer among others. Regorafenib, for instance, has been shown to yield a progression-free survival (PFS) improvement in pretreated metastatic colorectal cancer (mCRC) and in imatinib and sunitinib refractory gastrointestinal stromal tumors (GIST). We report that the antitumor activity of MTKIs in tumors lacking a well-defined oncogenic driver is strongly correlated with copy number alterations of genes encoding the protein kinases targeted by these drugs. A concept of tumor target charge (TTC), defined as the total gains of the genes encoding for targets of MTKIs as well as tumor target loss (TTL) was developed, and correlated to response to regorafenib in 2 cohorts of patients composed of mCRC and STS patients. A predictive model, called SUMSCAN, was conceived as a binary classifier to identify patients as either good or poor candidates for use of MTKIs. Moreover, the PFS and OS of patients with a favorable SUMSCAN score were significantly improved. Importantly, SUMSCAN predicted exclusively response to regorafenib, but not the response to conventional chemotherapy in mCRC

Chaque année, des chevaux de course décèdent de fractures complètes lors d’entrainement ou de course. A l’exercice, les charges supra-physiologiques cycliques entrainent des microfissures indiscernables par les techniques d’imagerie in vivo actuelles. Les ostéoclastes recrutés aux sites lésés induisent localement une lyse osseuse et une ostéopénie par résorption excessive, créant une concentration de contrainte à l’origine de fracture complète. Cependant, le rôle biologique des ostéoclastes dans les fractures de stress n’est à ce jour pas clairement identifié. Les objectifs de cette étude ont été d’établir des cultures in vitro d’ostéoclastes équins, corréler le nombre d’ostéoclastes avec l’isoforme 5b de l’enzyme phosphatase acide tartrate-résistante (TRACP 5b), corréler la résorption osseuse avec la TRACP-5b et le télopeptide C-terminal du collagène de type I (CTX-I) et étudier les effets de facteurs d’inflammation sur l’activité ostéoclastique. Après aspiration de moelle osseuse sternale, les cellules souches hématopoïétiques ont été isolées, conservées dans une banque cellulaire, décongelées, différenciées en ostéoclastes, avec ou sans os équin, et stimulées par des facteurs inflammatoires (IL-1β ou LPS). CTX-I et TRACP-5b ont été dosés par ELISA. Le nombre d’ostéoclastes colorés à la phosphatase acide tartrate-résistante et les aires de résorption osseuse colorées au bleu de toluidine ont été évalués. Dans les cultures d’ostéoclastes, la TRACP-5b augmentait (p < 0,0001) avec le temps et était corrélée (r = 0,63, p < 0.001) avec le nombre d’ostéoclastes. Dans les cultures d’ostéoclastes sur os, le CTX-I (p = 0,0018) et la TRACP-5b (p = 0,02) augmentaient avec le temps, étaient corrélés ensemble (r = 0,64, p < 0,002) et étaient tous deux corrélés avec la résorption osseuse (respectivement, r = 0,85, p < 0,001 et r = 0,82, p < 0,001). La stimulation inflammatoire n’a eu aucun effet significatif. Ostéoclastes équins et résorption osseuse ont été obtenus avec succès sur os équin à partir d’aspiration de moelle osseuse sternale. Pour la première fois, CTX-I et TRACP-5b ont été mesurés dans des cultures d’ostéoclastes équins. In vitro, CTX-I est un biomarqueur de résorption osseuse équine et TRACP-5b un biomarqueur du nombre d’ostéoclastes et de résorption osseuse équins. Des recherches ultérieures sont nécessaires afin d’évaluer si la TRACP 5b sérique permet la détection de toute résorption osseuse excessive chez les chevaux de course. / Every year racehorses die from complete catastrophic fractures in training and racing. Supra-physiological cyclic loads during exercise cause bone microcracks not discernible with current imaging in vivo. Osteoclasts recruited to the sites of the damage induce focal bone lysis and osteopenia by excessive resorption, creating a stress riser area susceptible to complete fracture. However, the biological impact of osteoclasts in stress fractures is not entirely understood. Our objectives were to establish in vitro cultures of equine osteoclasts, to correlate osteoclast numbers with the tartrate-resistant acid phosphatase 5b isoform (TRACP-5b), to correlate bone resorption with the TRACP-5b and the C-terminal telopeptide of type I collagen (CTX-I), as well as to investigate the effects of inflammatory factors on osteoclast activity. Following equine sternal bone marrow aspirations, hematopoietic stem cells were isolated, stored in a cell bank, thawed, differentiated into osteoclasts, with or without equine bone slices, and they finally underwent inflammatory stimulation (IL-1β or LPS). CTX-I and TRACP 5b were assayed by ELISAs. Osteoclasts stained with tartrate resistant acid phosphatase were counted and bone resorption areas stained with toluidine blue were measured. In the osteoclast cultures, the TRACP 5b increased (p < 0.0001) with time and correlated (r = 0.63, p < 0.001) with osteoclast number. In the osteoclast-bone cultures, both CTX-I (p = 0.0018) and TRACP-5b (p = 0.02) increased with time, correlated with each other (r = 0.64, p < 0.002) and both correlated with bone resorption (r = 0.85, p < 0.001 and r = 0.82, p < 0.001, respectively). The inflammatory stimuli had no significant effects. Equine osteoclasts and bone resorption were successfully induced on equine bone from sternal bone marrow aspiration. For the first time CTX-I and TRACP-5b were measured in equine osteoclast cultures. In vitro, CTX-I is a biomarker of equine bone resorption and TRACP-5b a biomarker of equine osteoclast number and bone resorption. Further investigations are required to measure the serum TRACP-5b capacity to detect excessive skeletal resorption in racehorses.

Mon projet de doctorat a pour objet l'étude des facteurs pouvant influencer le métabolisme des médicaments et la variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments. Mon projet cible plus précisément les Cytochromes P450 (CYP450), le système enzymatique majeur impliqué dans la biotransformation des médicaments. Mes travaux de recherche évaluent l'impact d’une condition pathologique, le diabète de type 2 (DT2), sur l'activité métabolique des CYP450s. Mes études comprennent un volet de métabolisme systémique chez le patient et un volet de métabolisme in vitro. Dans cette thèse, les résultats de mes recherches sont rapportés sous forme de présentation par articles. Le volet in vivo consistait en une étude de pharmacocinétique qui visait à évaluer l’impact du diabète sur l’activité métabolique de différentes isoformes des CYP450s en utilisant un cocktail de substrats-marqueurs. Des patients avec le DT2 et des sujets non diabétiques ont reçu une dose orale de notre cocktail VM/JT de substrats-marqueurs composé de caféine (CYP1A2), bupropion (CYP2B6), tolbutamide (CYP2C9), oméprazole (CYP2C19), dextrométhorphane (CYP2D6) et midazolam (CYP3A4/5) suivi d'une administration de chlorzoxazone (CYP2E1). Le protocole pour cette étude est détaillé dans l’article disponible à la section 2.1; manuscrit 1. Les concentrations plasmatiques et urinaires des médicaments marqueurs et de leurs métabolites spécifiques ont été quantifiées par LC-MS/MS suivant la méthode publiée dont l’article est disponible à l’annexe 1. Cette étude m’a permis de montrer que les patients avec le DT2 présenteraient une clairance systémique réduite via les isoformes CYP2B6, CYP2C19 et CYP3A. L’article présentant ces résultats se trouve à la section 2.1; manuscrit 2. Au cours de cette étude clinique, nous avons aussi évalué l’utilisation du 4-hydroxycholestérol comme biomarqueur endogène de l’activité du CYP3A dans une population avec le DT2 (objectif secondaire). Les conclusions démontrant la validité de ce biomarqueur sont disponibles dans l’article qui se trouve à la section 2.2; manuscrit 3. Le volet in vitro de mes travaux a permis d’évaluer au niveau du duodénum l’influence du DT2 sur l’expression de plusieurs CYP450s et transporteurs, ainsi que sur l’activité des CYP2B6, CYP2C9, CYP2J2 et CYP3A. Aucun impact significatif du DT2 n’a été mesuré sur l’expression d’ARNm des CYP450s et transporteurs testés exprimés dans des biopsies duodénales. Les niveaux d’activité mesurés à l’aide d’incubations avec des substrats-marqueurs des CYP450s dans des fractions S9 de biopsies duodénales étaient semblables chez des sujets avec le DT2 et des non diabétiques. L’article sur les résultats de ce volet in vitro est disponible à la section 2.3; manuscrit 4. Ces résultats suggèrent que les effets du diabète sur le métabolisme des substrat-marqueurs observés dans l’étude clinique peuvent s’expliquer par une modulation au niveau hépatique ou dans différentes sections de l’intestin. En accord avec ces résultats chez l’humain, notre groupe avait déjà rapporté que l’effet du diabète sur les CYP450s était isoforme et tissu spécifique chez la souris (annexe 2). L'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la variabilité dans la réponse aux médicaments observés chez les patients diabétiques, lesquels nécessitent fréquemment une polypharmacie. Les résultats de ces travaux permettront éventuellement d’optimiser la pharmacothérapie chez ces patients. / My PhD project evaluates factors that can influence drug metabolism and interindividual variability in drug response. More precisely, my thesis focuses on the major drug metabolizing enzymes, the cytochromes P450 (CYP450). My researches evaluated the impact of a pathological condition, namely type 2 diabetes (T2D), on CYP450 metabolic activities in two parts. First, the effect of diabetes on systemic metabolism was evaluated in patients. Then, in vitro experiments enabled us to measure the impact of T2D on organ-specific or metabolism. In this thesis, my research results are presented in 4 scientific papers. The in vivo part of my PhD research consisted of a pharmacokinetic study assessing metabolic activity of different isoforms of the CYP450s using a cocktail of probe drugs in T2D patients and non-diabetic subjects. All participants of both study groups received a dose of our oral VM/JT probe drugs cocktail consisting of caffeine (CYP1A2), bupropion (CYP2B6), tolbutamide (CYP2C9), omeprazole (CYP2C19), dextromethorphan (CYP2D6) and midazolam (CYP3A4/5) followed by a dose of chlorzoxazone (CYP2E1), alone. Study procedures are detailed in the protocol article (manuscrit 1) presented in section 2.1. Plasma and urine concentrations for all probe drugs and specific metabolites were quantified using a published LC-MS/MS method that is available in annexe 1. This study showed that patients with T2D exhibited reduced systemic clearances for the isoforms CYP2B6, CYP2C19 and CYP3A. Results of this pharmacokinetic research are presented in manuscrit 2 of section 2.1. As a secondary objective, this in vivo part of my PhD project enabled us to verify the validity of 4-hydroxycholesterol as an endogenous biomarker of CYP3A activity in a population with T2D. Conclusions showing its validity as an endogenous biomarker in such population are presented in section 2.2 (manuscrit 3). The in vitro part of my doctoral project evaluated in the intestines the influence of T2D on the mRNA expression of numerous CYP450 isozymes and drug transporters, as well as on metabolic activity of CYP2B6, CYP2C9, CYP2J2 and CYP3A. Using duodenal biopsies, no significant impact of T2D was detected on the mRNA expression levels of all tested CYP450s and transporters. Activity levels measured following incubations of probe-substrates in S9 fractions of duodenal biopsies obtained from patients with T2D and non-diabetic patients were similar. Results from this in vitro study are reported in section 2.3 (manuscrit 4) of this thesis. These results obtained in human subjects are in agreement with our previously published results showing isoform- and tissue-specific effects of T2D on CYP450s in mice (annexe 2). Overall, the central theme of this thesis is to better understand the underlying mechanisms of drug response variability observed in diabetic patients, whom often require polypharmacy, in order to eventually optimize drug therapy in those patients.

Le liquide interstitiel est aujourd’hui considéré comme un candidat prometteur comme alternative, ou complément, à l’analyse sanguine pour la quantification de biomarqueurs. Localisé notamment dans la peau, sa composition demeure peu décrite dans la littérature. Cela peut s’expliquer par le fait que le prélèvement de liquide interstitiel reste problématique. En effet, les méthodes d’extraction actuelles sont chronophages, douloureuses et conduisent au prélèvement de volumes très faibles ne permettant pas toujours une analyse subséquente. L’utilisation de timbres de microaiguilles conçus en hydrogel superabsorbant représente une solution indolore, rapide et efficace pour le prélèvement du liquide interstitiel. Un premier type de timbre a été conçu par photopolymérisation, un processus de fabrication caractérisé par sa rapidité. Ce type de timbre de microaiguilles présente une capacité d’absorption très élevée et peut trouver une application dans l’élaboration des profils protéomique, métabolomique et lipidomique du liquide interstitiel dermique. Le second type de timbres de microaiguilles est obtenu par chauffage d’une formulation contenant des polymères superabsorbants. Ce procédé s’avère plus long mais conduit à un hydrogel superabsorbant riche en groupements chimiques permettant d’envisager une fonctionnalisation pour la capture et la détection in situ de biomarqueurs spécifiques du liquide interstitiel dermique. In fine, les timbres de microaiguilles développés pourraient donc permettre d’approfondir notre connaissance de la composition du liquide interstitiel; mais laissent également entrevoir la possibilité de développer des dispositifs médicaux portables permettant le diagnostic, ou la surveillance, rapide et indolore de certaines pathologies. Ces dispositifs pourraient diminuer les coûts normalement associés à ces pratiques et améliorer la prise en charge des patients. C’est le cas notamment de l’insuffisance cardiaque, dont la gestion pourrait être considérablement facilitée par le suivi à domicile du biomarqueur NT-proBNP. / Nowadays, interstitial fluid is considered a valid alternative for blood analysis and biomarker monitoring. However, its composition is scarcely described in the literature. Notably located in the skin, its collection remains a challenge as current methods are time-consuming, painful and the extracted volume limits subsequent analysis. Here we put forward the use of superabsorbant hydrogel-based microneedle patches to enable a painless, rapid and efficient sampling of dermal interstitial fluid. A first kind of microneedle patch was obtained using UV-curing, a rapid fabrication process. This type of microneedle patch enables the collection of a high volume of liquid and can therefore be utilized for subsequent proteomic, metabolomic and lipidomic analyses of the dermal interstitial fluid that had been extracted in a painless fashion. The second class of microneedle patch developed was fabricated from superabsorbant polymers using heating. Although time consuming, this process produced hydrogel-based microneedle patches that could be functionalized for the in situ detection of specific biomarkers in the dermal interstitial fluid. In fine, the aforementioned microneedle patches have the potential to broaden our understanding of the interstitial fluid composition, as well as be integrated in novel portable biosensing devices for a rapid and painless diagnosis, or for the monitoring of certain medical conditions. For example, quantifying the NT-proBNP biomarker in the dermal interstitial fluid could significantly improve the quality of life of heart failure patients.

L’épilepsie insulaire (ÉI) est une forme rare d’épilepsie focale qui, en raison des défis liés à son diagnostic, est difficilement cernable. De plus, la prise en charge des patients avec ÉI s’avère complexifiée par le fait que cette pathologie est fréquemment résistante aux médicaments anti-crises. Pour ces cas médico-réfractaires, la chirurgie insulaire est une option viable. Cela dit, les patients subissant une telle intervention développent fréquemment des déficits neurologiques postopératoires; heureusement, la grande majorité de ceux-ci récupèrent complètement et rapidement. Or, le mécanisme sous-tendant ce singulier rétablissement fonctionnel demeure à ce jour mal compris. Deux modalités modernes d’IRM structurelle, soit l’analyse d’épaisseur corticale et la tractographie, ont permis, dans les dernières années, de décrire les altérations architecturales caractéristiques et potentiellement diagnostiques de divers types d’épilepsie ainsi que de caractériser les remodelages plastiques qui suivent la chirurgie de l’épilepsie extra-insulaire. Cependant, à ce jour, aucune étude ne s’est encore penchée sur le cas de l’ÉI. De ce fait, les études qui constituent cette thèse exploitent l’IRM structurelle afin, d’une part, de dépeindre les altérations d’épaisseur du cortex et de connectivité de matière blanche associées à l’ÉI et, d’autre part, de définir les réarrangements de connectivité subséquents à la chirurgie insulaire pour contrôle épileptique. Les deux premières études de cette thèse ont révélé que l’ÉI était associée à un pattern majoritairement ipsilatéral d’atrophie corticale et d’hyperconnectivité impliquant principalement des sous-régions insulaires et des régions connectées à l’insula. De manière intéressante, la topologie de ces changements correspondait, au moins en partie, à celle du réseau épileptique de l’ÉI. Ensuite, la troisième étude visait à décrire, par le biais d’une méta-analyse, l’histoire naturelle postopératoire des patients subissant une chirurgie pour ÉI. Cette analyse a, entre autres, confirmé que cette chirurgie était efficace (66.7% de disparition des crises) et qu’elle était fréquemment accompagnée de complications neurologiques (42.5%) qui, dans la plupart des cas, étaient transitoires (78.7% des complications) et récupéraient entièrement dans les trois mois postopératoires (91.6% des complications transitoires). Finalement, la quatrième étude a révélé que la chirurgie pour ÉI était suivie d’altérations de connectivité diffuses et bilatérales. Notamment, les connexions présentant une augmentation de connectivité concernaient particulièrement des régions localisées soit près de la cavité chirurgicale ou dans l’hémisphère controlatéral à l’intervention. De plus, la majorité de ces renforcements structurels se sont produits dans les six premiers mois suivant la chirurgie, un délai comparable à celui durant lequel la majeure partie de la récupération fonctionnelle postopératoire a été observée dans notre méta-analyse. En somme, nos résultats suggèrent que les altérations morphologiques en lien avec l’ÉI peuvent correspondre à son réseau épileptique sous-jacent. La topologie de ces changements pourrait constituer un biomarqueur structurel diagnostique qui aiderait à la reconnaissance de l’ÉI et, concomitamment, favoriserait possiblement un traitement chirurgical plus adapté et plus efficace. De plus, les augmentations de connectivité postopératoires pourraient correspondre à des réponses neuroplastiques permettant de prendre en charge les fonctions altérées par la chirurgie. Nos constats ont ainsi contribué à la caractérisation des mécanismes étayant la singulière récupération fonctionnelle accompagnant la chirurgie pour ÉI. À plus grande échelle, nos travaux offrent un aperçu du potentiel de l’IRM structurelle à assister au diagnostic de l’épilepsie focale ainsi qu’à participer à la description des changements plastiques subséquents à une résection neurochirurgicale. / Insular epilepsy (IE) is a rare type of focal epilepsy that is difficult to diagnose. In addition to the challenging nature of IE detection, management of patients with this condition is complicated by the tendency of insular seizures to be resistant to anti-seizure medications. For such medically refractory cases, insular surgery constitutes a viable and long-lasting therapeutic option. That said, patients who undergo an insular resection for seizure control frequently develop postoperative neurological deficits; fortunately, most of these impairments recover fully and rapidly. While this favorable postoperative course contributes to improving the outcome of IE surgery, the mechanism underlying the functional recovery remains unknown. Two contemporary structural MRI modalities, namely cortical thickness analysis and tractography, have recently been used to describe characteristic structural alterations of focal epilepsies and to elucidate the postoperative plastic remodeling associated with surgery for extra-insular epilepsy. While these analyses added to our understanding of several localization-related epilepsies, none specifically studied IE. In this thesis, we exploit structural MRI techniques to, first, depict the alterations of cortical thickness and white matter connectivity in IE and, second, define the progressive rearrangements that follow insular surgery for epilepsy. The first two studies of the current thesis showed that IE is associated with a primarily ipsilateral pattern of cortical thinning and hyperconnectivity that mainly involves insular subregions and insula-connected regions. Interestingly, the topology of these changes corresponded, at least in part, to the epileptic network of IE. Furthermore, the third study aimed to describe, via a meta-analysis, the postoperative outcome of patients undergoing surgery for IE. Among other findings, the analysis revealed that insular surgery was effective (66.7% seizure freedom rate) but was associated with a significant risk of neurological complications (42.5%) which, in most cases, were transient (78.7% of all complications) and recovered fully within three months (91.6% of transient complications). Finally, the fourth study showed that surgery for IE was followed by a diffuse pattern of bilateral structural connectivity changes. Notably, connections exhibiting an increase in connectivity were specifically located near the surgical cavity and in the contralateral healthy hemisphere. In addition, the majority of the structural strengthening occurred in the first six months following surgery, a time course that is consistent with the short delay during which most of the postoperative functional recovery was observed in our meta-analysis. Our results suggest that the morphological alterations in IE may reflect its underlying epileptic network. The topology of these changes may constitute a structural biomarker that could help diagnose IE more readily and, concomitantly, potentially enable a more targeted and more effective surgical treatment. Moreover, the postoperative increases in connectivity may be compatible with compensatory neuroplastic responses, a process that arose to recoup the functions of the injured insular cortex. Our findings have therefore contributed to the characterization of the driving process that supports the striking functional recovery seen following surgery for IE. On a larger scale, our work provides insights into the potential of structural MRI to assist in the diagnosis of focal epilepsy and to describe plastic changes following neurosurgical resections.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des lésions alvéolaires diffuses menant à un œdème alvéolaire lésionnel et une insuffisance respiratoire aiguë hypoxémique. Malgré les progrès récents dans la prise en charge des patients de réanimation, le SDRA reste un syndrome fréquent et associé à une morbimortalité importante. Deux mécanismes principaux du SDRA semblent associés à une mortalité plus élevée et à des réponses thérapeutiques différentes : la déficience de la clairance liquidienne alvéolaire (AFC, pour alveolar fluid clearance), l’incapacité pour l’épithélium alvéolaire de résorber l’œdème alvéolaire, et la présence d’un phénotype « hyper-inflammatoire ». Les approches pharmacologiques du traitement du SDRA restent limitées et il est nécessaire de poursuivre l’étude des voies biologiques impliquées dans la pathogénie du SDRA et dans sa résolution afin de développer des approches innovantes des prises en charge diagnostique et thérapeutique du SDRA. RAGE, le récepteur des produits de glycation avancée, est un récepteur multi-ligands, exprimé abondamment par les cellules épithéliales alvéolaires du poumon (pneumocytes), qui module de nombreuses voies de signalisation intracellulaire. De nombreuses études récentes suggèrent que sRAGE, la forme soluble principale de RAGE, pourrait servir de marqueur lésionnel du pneumocyte de type I, et que RAGE pourrait jouer un rôle-pivot dans la pathophysiologie du SDRA, en initiant et en entretenant la réponse inflammatoire alvéolaire. Nos objectifs étaient de caractériser les rôles de RAGE au cours du SDRA, grâce à une approche translationnelle combinant études cliniques et précliniques. D’abord, des études cliniques observationnelles et interventionnelles ont été conduites afin de caractériser sRAGE comme un véritable biomarqueur dans le SDRA. Ensuite, des cultures in vitro de cellules épithéliales et de macrophages, ainsi qu’un modèle expérimental in vivo de SDRA murin par instillation trachéale d’acide chlorhydrique ont été utilisés pour décrire les effets de la voie RAGE sur les mécanismes d’AFC et l’inflammation macrophagique médiée par l’inflammasome « Nod-Like Receptor family, Pyrin domain containing 3 » (NLRP3). Enfin, l’effet d’une inhibition de RAGE, par sRAGE recombinant ou par anticorps monoclonal anti-RAGE, était testée en modèle murin. Nos résultats issus des études cliniques suggèrent que sRAGE présente toutes les caractéristiques d’un biomarqueur au cours du SDRA, avec un intérêt dans le diagnostic, le pronostic et la prédiction du risque de développer un SDRA dans une population à risque. Pris ensemble, notre travail suggère que la voie RAGE joue un rôle important dans la régulation de l’atteinte pulmonaire, de l’AFC et de l’activation macrophagique au cours du SDRA. Toutefois, les mécanismes précis de cette régulation restent incertains. La forme soluble de RAGE (sRAGE), lorsqu’elle est dosée dans le plasma, présente toutes les caractéristiques d’un biomarqueur pouvant être utile en pratique clinique, mais son intérêt dans la sélection de sous-groupes (ou « phénotypes ») de patients pouvant bénéficier de traitements ciblés reste à étudier. La voie RAGE pourrait enfin représenter une cible thérapeutique prometteuse. Bien que des études de validation restent nécessaires, ces résultats pourraient ouvrir de nouvelles perspectives dans la prise en charge des patients atteints de SDRA. / The acute respiratory distress syndrome (ARDS) is associated with diffuse alveolarinjury leading to increased permeability pulmonary edema and hypoxemic respiratory failure. Despite recent improvements in intensive care, ARDS is still frequent and associated with high mortality and morbidity. Two major features of ARDS may contribute to mortality and response to treatment: impaired alveolar fluid clearance (AFC), i.e. altered capacity of the alveolar epithelium to remove edema fluid from distal lung airspaces, and phenotypes of severe inflammation. Pharmacological approaches of ARDS treatment are limited and further mechanistic explorations are needed to develop innovative diagnostic and therapeutic approaches. The receptor for advanced glycation endproducts (RAGE) is a multiligand pattern recognition receptor that is abundantly expressed by lung alveolar epithelial cells andmodulates several cellular signaling pathways. There is growing evidence supporting sRAGE (the main soluble isoform of RAGE) as a marker of epithelial cell injury, and RAGE may be pivotal in ARDS pathophysiology through the initiation and perpetuation of inflammatory responses. Our objectives were to characterize the roles of RAGE in ARDS through a translational approach combining preclinical and clinical studies. First, observational and interventional clinical studies were conducted to test sRAGE as a biomarker during ARDS.Then, cultures of epithelial cells, macrophages and a mouse model of acidinduced lung injury were used to describe the effects of RAGE pathway on AFC and inflammation, with special emphasis on a macrophage activation through NodLikeReceptor family, Pyrindomain containing 3 (NLRP3) inflammasome. Acidinjured mice were treated with an antiRAGE monoclonal antibody or recombinant sRAGE to test the impact of RAGE inhibition on criteria of experimental ARDS. Results from clinical studies support a role of sRAGE as a biomarker of ARDS, withdiagnostic, prognostic and predictive values. In addition, plasma sRAGE is correlated with a lung imaging phenotype of nonfocal ARDS and could inform on therapeutic response. Herein, we also describe in vivo and in vitro effects of RAGE activation on transepithelial fluid transport and expression levels of epithelial channels (aquaporin 5, αNa,KATPaseandαENaC) and on macrophage activation through NLRP3 inflammasome. Finally, RAGE inhibition improves AFC and decreases lung injury in vivo. Taken together, our findings support a role of RAGE pathway in the regulation of lung injury, AFC and macrophage activation during ARDS, albeit precise regulatory mechanisms remain uncertain. sRAGE has most features of a validated biomarker that could be used in clinical medicine, but whether it may help to identify subgroups (or phenotypes) of patients that would benefit from tailored therapy remains underinvestigated. Modulation ofRAGE pathway may be a promising therapeutic target, and though validation studies are warranted, such findings may ultimately open novel diagnostic and therapeutic perspectivesin patients with ARDS.

Le transfert et les effets de 3 éléments traces métalliques (ETMs : Cd, Pb et Zn) dans les réseaux trophiques terrestres ont été étudiés sur une zone de 40 km2 polluée par l'ancienne fonderie de Metaleurop Nord (France). Les objectifs étaient (i) d'identifier les principaux facteurs expliquant les concentrations en ETMs dans les sols et les animaux étudiés, de déterminer à quelles échelles spatiales ces facteurs interviennent et si le paysage module les contaminations; (ii) de mesurer les réponses des espèces étudiées à différents niveaux d'organisation biologique et de rechercher des liens entre réponses individuelles et/ou populationnelles. Des échantillonnages portant sur les sols d'habitats ligneux (milieux boisés favorables pour les espèces étudiées) et plusieurs espèces d'escargots et de micromammifères ont été menés durant 3 années consécutives à plusieurs saisons. L'analyse de la distribution spatiale de la contamination des sols montre que les variables expliquant les concentrations totales en ETMs dans les sols (distance à la source, fréquence du vent) agissent à des échelles spatiales relativement larges, alors que des facteurs locaux (caractéristiques des sols, notamment le pH) déterminent les concentrations extractibles au CaCl2 (considérées comme disponibles). Des méthodes géostatistiques d'interpolation spatiale, krigeage ordinaire et universel, ont permis de générer des cartes de contamination des sols sur l'ensemble de la zone d'étude et d'établir une évaluation du risque spatialisée pour les invertébrés et vertébrés des habitats ligneux (basée sur les Eco-SSLs de l'US EPA). Les relations entre les concentrations en ETMs des animaux et des sols ont été étudiées chez 2 espèces d'escargots (Cepaea sp et Oxychilus draparnaudi) et 2 espèces de micromammifères (Crocidure musette Crocidura russula et Campagnol roussâtre Myodes glareolus) sympatriques ayant des régimes alimentaires contrastés. Les concentrations internes augmentent avec la contamination des sols et sont toujours mieux expliquées par les concentrations totales qu'extractibles, sauf pour Cepaea sp. Le paysage influence les niveaux d'ETMs accumulées et leur augmentation le long du gradient de pollution. L'échelle spatiale à laquelle la corrélation entre les concentrations en ETMs dans les animaux et les sols est la meilleure varie entre espèces et entre paysages. Les facteurs physiologiques et écologiques, tels que le régime alimentaire mais aussi la préférence et l'exploitation d'habitat, modulent la bioaccumulation des ETMs. L'influence des caractéristiques du récepteur (sexe, âge, régime alimentaire...) sur l'accumulation et la séquestration des ETMs a été étudiée chez plusieurs micromammifères sympatriques (Mulot sylvestre Apodemus sylvaticus, Campagnol roussâtre, Musaraigne carrelet Sorex araneus et Musaraigne pygmée Sorex minutus). L'âge plus que le sexe, et l'espèce plus que le niveau trophique, influencent les niveaux d'ETMs et de métallothionéines (MTs) et leurs relations. Trois patrons de relations entre capacité d'accumulation des ETMs et production de MTs ont été identifiés. Des mesures de santé individuelle suggèrent que la sensibilité des récepteurs aux ETMs (musaraigne < campagnol < mulot) décroît quand leur capacité de production de MTs augmente. La mesure des MTs seule ne constitue pas un biomarqueur d'exposition pertinent, mais elle est nécessaire pour interpréter la probabilité d'occurrence d'effets délétères. La variabilité temporelle de l'accumulation des ETMs a été étudiée chez le Campagnol roussâtre, mettant en évidence des différences inter-annuelles et inter-saisonnières. Tandis que le Pb (foie et reins) montre des variations inter-saisonnières (printemps < automne), le Cd et le Zn ont des patrons différents entre organes, et des variations inter-annuelles sans effet saisonnier net. L'adaptation potentielle à la pollution métallique de 2 escargots autochtones du site d'étude, l'escargot petit-gris Cantareus aspersus et l'escargot des bois Cepaea nemoralis, a été examinée : des individus issus de 2 origines (parents exposés ou non aux ETMs) ont été exposés in situ en microcosmes dans une expérience de transplantation croisée. L'analyse de l'accumulation des ETMs (facteur de bioaccumulation, paramètres cinétiques) ne montrent pas d'adaptation. Cependant, les caractéristiques de la coquille suggèrent des processus d'acclimatation et d'adaptation à travers une modification du métabolisme du Ca. Ce travail montre que l'analyse de la réponse d'un organisme à la pollution doit s'appuyer sur la mesure de plusieurs paramètres (bioaccumulation, biomarqueur, indice de santé, population...), et que l'interprétation d'une mesure nécessite sa mise en perspective dans son contexte global en changeant de niveaux de perception (niveau d'organisation biologique, contextes temporel et spatial). Dans le cadre de l'évaluation du risque environnemental et de la biosurveillance, nos travaux soulignent la nécessité des suivis à long terme, et de la mise en place de procédures sur des étendues pertinentes par rapport aux processus écologiques qui participent aux réponses observées et tenant compte du paysage.