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La métabolomique a pour objet l’identification et la quantification de métabolites dans un échantillon biologique. Cette discipline s’inscrit dans une approche du vivant connue sous le terme de « biologie des systèmes ». La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire haute résolution à l’angle magique (RMN HRMAS) est une méthode de choix pour l’obtention de ce type de profilage métabolique. L’épilepsie du lobe temporal (ELT) est une épilepsie focale fréquente associée le plus souvent à des pertes neuronales sélectives, une gliose réactionnelle et une plasticité cellulaire spécifique. Bien que restant débattue, une origine neurométabolique reste un axe de recherche majeur. A ce jour une caractérisation métabolomique des tissus épileptogènes par RMN HRMAS reste à effectuer. Notre travail a consisté dans un premier temps à caractériser, chez le rat, les effets des méthodes de prélèvement et de fixation sur le métabolome cérébral dans le cadre des acquisitions RMN HRMAS. Dans un second temps, nous avons travaillé sur le modèle animal lithium-pilocarpine d’ELT. Nous avons pu décrire le métabolome issu des données RMN 1H HRMAS de différentes structures cérébrales impliquéesdans l’épileptogénèse. Des analyses multivariées de type PLS-DA ont pu mettre en évidence des profils métaboliques pathologiques au sein du cortex entorhinal et de l’hippocampe. A l’aide de substrats marqués au carbone 13 ([1-13C]glucose et de [1,2-13C]acétate) nous avons étudié les voies métaboliques neuronales et gliales. Nos résultats suggèrent l’absence d’anomalies métaboliques au sein des astrocytes. Enfin dans un dernier temps, nous avons effectué des analyses RMN 1H HRMAS sur près de 200 échantillons cérébraux de patients atteints d’ELT. Une analyse multivariée a permis de distinguer les profils métaboliques des hippocampes sclérosés et non sclérosés. En revanche la construction de modèles sur la base d’hypothèses clinico métaboliques (durée de la maladie, fréquence de crises, antécédents de convulsions fébriles) n’a pas permis d’identifier de profils métaboliques spécifiques. L’ensemble de ces données suggère l’existence de profils métabolomiques distincts en fonction des caractéristiques neuropathologiques des patients atteints d’ELT. Notre travail confirme la nécessité d’une approche intégrée de type « biologie des systèmes » pour l’étude de l’ELT aussi bien chez l’homme que dans des modèles animaux. / Metabolomics relates to the identification and quantification of metabolites in biological samples. This discipline is part of an approach known under the term of "systems biology". High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at Magic Angle Spinning (HRMAS NMR) is a method for obtaining metabolic profiling in such sample. Temporal Lobe Epilepsy (TLE ) is a common focal epilepsy often associated with selective neuronal loss, reactive gliosis and specific cellular plasticity. A neurometabolic origin of this epilepsy is a major area of research. To date no characterization of human cerebral biopsy from TLE patients has been conducted using HRMAS NMR. In the present work we aimed first at characterizing, in rats, the effects of sampling methods and fixation on brain metabolome under HRMAS NMR acquisitions. In a second step, we studied the lithium-pilocarpine model of TLE. In this model, we could describe the metabolome from HRMAS 1H NMR data of different brain structures involved in epileptogenesis. Multivariate analysis could highlight pathological metabolic profiles in the entorhinal cortex and hippocampus. Using substrates labeled with carbon 13 ( [1 -13C ]-glucose and [1,2-13C ]-acetate) we studied neuronal and glial metabolic pathways. Our results suggest the absence of metabolic abnormalities in astrocytes metabolism as previously reported. Finally, we conducted HRMAS 1H NMR analysis in nearly 200 brain samples from TLEpatients. Multivariate analysis was able to distinguish metabolic profiles between sclerotic and non sclerotic hippocampi. However mutlivariate models based on clinico- metabolic assumptions (disease duration, frequency of seizures, history of febrile seizures ) did not identify specific metabolic profile. All these data suggest the existence of distinct metabolomic profile based on neuropathological features of patients with TLE. Our work confirm the need of an integrated approach such as " systems biology" for the study of TLE in humans as long as in animal models.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant permettant d’acquérir des profils biochimiques du cerveau et de quantifier de nombreux paramètres cellulaires in vivo. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à trois techniques : (i) la spectroscopie RMN du 1H pondérée en diffusion, (ii) la spectroscopie RMN du carbone-13 (13C) et (iii) de l’oxygène-17 (17O) pour étudier la microstructure et la fonction cellulaire in vivo.Les métabolites cérébraux sont des traceurs endogènes spécifiques d’un type cellulaire (neurones et astrocytes) dont la diffusion dépend des nombreuses propriétés cellulaires (par exemple la viscosité du cytosol et la restriction intracellulaire). L’étude de la dépendance du coefficient de diffusion (ADC) aux temps de diffusion (td) permet de quantifier chacun de ces paramètres. En particulier, la mesure de l’ADC aux td longs permet d’évaluer la compartimentation des métabolites. Dans une première étude, nous avons mesuré l’ADC de plusieurs métabolites neuronaux et astrocytaires sur une large gamme de td (de ~80 ms à ~1 s) dans un large voxel dans le cerveau du macaque. Aucune dépendance de l’ADC de l’ensemble des métabolites au td n’a été observée suggérant que les métabolites diffusent majoritairement dans les prolongements neuronaux (axones, dendrites) et astrocytaires et ne sont pas confinés dans le corps cellulaire ou les organelles (mitochondries, noyau). La grande taille du voxel, liée à la sensibilité de détection limitée, ne nous a pas permis d’étudier la compartimentation des métabolites dans la substance blanche (SB) et la substance grise (SG). C’est pourquoi, une nouvelle étude a été réalisée dans le cerveau de l’Homme. Les résultats montrent que les métabolites diffusent dans des structures fibrillaires dans la SG et la SB. Enfin, une dernière étude, avec une gamme de td jusqu’à 2 s chez le macaque, nous a permis d’estimer, à l’aide de modèles analytiques simples mimant la structure cellulaire, la longueur des fibres neuronales (~110 μm) et astrocytaires (~70 μm). L’oxydation du glucose au sein des mitochondries permet de produire l’ATP (adénosine triphosphate), la principale source d’énergie de l’organisme. La spectroscopie du 13C permet de mesurer la vitesse de dégradation du glucose dans le cycle de Krebs (VTCA). Cette méthode est largement reconnue pour l’étude du métabolisme. Néanmoins, de nombreuses limitations, en termes de modélisation des données en détection indirecte ou de puissance émise dans le contexte du découplage hétéronucléaire en détection directe, ont été rencontrées sur notre scanner IRM. C’est pourquoi, la spectroscopie du 17O a ensuite été développée afin de quantifier la vitesse de consommation de l’oxygène pendant la phosphorylation oxydative (CMRO2). Des développements méthodologiques et technologiques ont été nécessaires et sont encore en cours pour mettre en place et valider cette technique qui n’a encore jamais été utilisée chez le macaque. / Magnetic Resonance Spectroscopy is a unique tool that allows acquiring brain biochemical profiles and quantifying many cellular parameters in vivo. During this thesis, three different techniques have been developed: (i) 1H diffusion-weighted, (ii) carbone-13 (13C) and (iii) oxygen-17 (17O) NMR spectroscopy to study brain structure and function in vivo. Brain metabolites are cell-specific endogeneous tracers of the intracellular space whose translational diffusion depends on many cellular properties (e.g.: cytosol vicosity and intracellular restriction). Studying the variation of the diffusion coefficient (ADC) as a function of diffusion time (td) allows untangling and quantifying those parameters. In particular, measuring metabolites ADC at long diffusion times gives information about the metabolites compartmentation in cells. In a first study, we measured neuronal and astrocytic metabolites ADC over a large time window (from ~80 ms to ~1 s) in a large voxel in the macaque brain. No dependence of all metabolites ADC on td was observed suggesting that metabolites primarily diffuse in neuronal (dendrites and axons) and astrocytic processes and are not confined inside the cell body and organelles (nucleus, mitochondria). The large size of the voxel, due to low detection sensitivity, did not allow us to study metabolites compartmentation in pure white (WM) and grey matters (GM). Therefore, we performed a new study in the human brain. Results showed that in both WM and GM metabolites diffuse in fiber-like cell structure. Finally, using an even larger time window (up to 2 s) in the macaque brain and analytical models mimicking the cell structure, we estimated the length of neuronal (~110 μm) and astrocytic (~70 μm) processes. ATP (adenosine triphosphate), the main source of energy in the organism, is produced thanks to glucose oxidation inside the mitochondria. 13C NMR spectroscopy is a well-known technique to study brain energy metabolism and can be used to estimate the rate of glucose degradation within the Krebs cycle (VTCA). However, many limitations, concerning data modeling when performing indirect detection or power deposition due to heteronuclear decoupling during direct detection, were encountered on our MRI scanner. Therefore, 17O NMR spectroscopy was developed to quantify the rate of oxygen consumption during oxidative phosphorylation (CMRO2). Methodological and technological developments were necessary and are still ongoing to validate this technique, which has never been used with macaque.

CO2 is a greenhouse gas which is significantly emitted by agricultural soils through the decomposition of plant residue and soil organic carbon. Carbon isotopes can be used in determining the source of the CO2, origin of the carbon, and the age of the CO2 emissions. This study investigates the transport of CO2 gas through agricultural soils using carbon isotopes 14C and 13C to complement concentration and production rate measurements in two comparative agricultural settings in Eastern Ontario, one of which has been modified by clearing and dredging of the adjacent riparian zone and one left undredged. Traditional radiocarbon dating measures time through loss by decay, while recent dating is based on matching measurements with the atmospheric 14CO2 signal (F14C) generated by nuclear bomb testing in the 1950s and 1960s. CO2 emissions were analyzed from soil core sections together with soil-probe gas samples and surface flux chamber samples collected from the study area. Soil cores were collected from 0- 90 cm at 7.5 cm increments and placed into IsoJar® microcosms for a period of one month. CO2 in-growth was monitored to provide production rates and samples for 14C and 13C analysis. The radiocarbon data for the microcosms showed that values increase with depth from the current fraction modern value of 1.00 F14C at the surface to an attenuated peak of 1.04 F14C at a depth of 30 to 40 cm and then decrease to values below 1.00 F14C. The data collected from the soil-probe gas showed a significant depletion in comparison to the microcosms and the surface chambers. The soil cores were subsequently analyzed by a selective leach oxidation protocol to sample decreasingly labile solid organic carbon. This involved placing the weighed soil samples into MilliQ water for 24 hours, before being passed through two sieves, 63 microns and 0.45 microns. The DOC leachate was collected and analyzed for 14C and 13C. The two solid soil fractions were then dried, treated with HCl to remove carbonate and then oxidized under vacuum with 5% H2O2 yielding CO2 and residual soil carbon for 14C and 13C. The radiocarbon analysis of these variously labile fractions, together with the microcosm and soil probe measurements, demonstrate that surface emissions at both sites are greatly dominated by CO2 from recently-sequestered labile organic carbon from the upper 30 cm with minor contribution from earlier, bomb-pulse carbon or from deeper pre-bomb carbon. No significant difference in age of emissions between the dredged and undredged sites was found.

Les plantes médicinales constituent une source inexhaustible de composés (des produits naturels - PN) utilisé en médecine pour la prévention et le traitement de diverses maladies. L'introduction de nouvelles technologies et méthodes dans le domaine de la chimie des produits naturels a permis le développement de méthodes ‘high throughput’ pour la détermination de la composition chimique des extraits de plantes, l'évaluation de leurs propriétés et l'exploration de leur potentiel en tant que candidats médicaments. Dernièrement, la métabolomique, une approche intégrée incorporant les avantages des technologies d'analyse moderne et la puissance de la bioinformatique s’est révélé un outil efficace dans la biologie des systèmes. En particulier, l'application de la métabolomique pour la découverte de nouveaux composés bioactifs constitue un domaine émergent dans la chimie des produits naturels. Dans ce contexte, le genre Acronychia de la famille des Rutaceae a été choisi sur la base de son usage en médecine traditionnelle pour ses propriétés antimicrobienne, antipyrétique, antispasmodique et anti-inflammatoire. Nombre de méthodes chromatographiques modernes, spectrométriques et spectroscopiques sont utilisées pour l'exploration de leur contenu en métabolites suivant trois axes principaux constituant les trois chapitres de cette thèse. En bref, le premier chapitre décrit l’étude phytochimique d’Acronychia pedunculata, l’identification des métabolites secondaires contenus dans cette espèce et l'évaluation de leurs propriétés biologiques. Le deuxième chapitre vise au développement de méthodes analytiques pour l'identification des dimères d’acétophénones (marqueurs chimiotaxonomiques du genre) et aux stratégies utilisées pour la déréplication de ces différents extraits et la caractérisation chimique des composés par UHPLC-HRMSn. Le troisième chapitre se concentre sur l'application de méthodologies métabolomique (RMN et LC-MS) pour l'analyse comparative (entre les différentes espèces, origines, organes), pour des études chimiotaxonomiques (entre les espèces) et pour la corrélation des composés contenus avec une activité pharmacologique. / Medicinal plants constitute an unfailing source of compounds (natural products – NPs) utilised in medicine for the prevention and treatment of various deceases. The introduction of new technologies and methods in the field of natural products chemistry enabled the development of high throughput methodologies for the chemical composition determination of plant extracts, evaluation of their properties and the exploration of their potentials as drug candidates. Lately, metabolomics, an integrated approach incorporating the advantages of modern analytical technologies and the power of bioinformatics has been proven an efficient tool in systems biology. In particular, the application of metabolomics for the discovery of new bioactive compounds constitutes an emerging field in natural products chemistry. In this context, Acronychia genus of Rutaceae family was selected based on its well-known traditional use as antimicrobial, antipyretic, antispasmodic and anti-inflammatory therapeutic agent. Modern chromatographic, spectrometric and spectroscopic methods were utilised for the exploration of their metabolite content following three basic axes constituting the three chapters of this thesis. Briefly, the first chapter describes the phytochemical investigation of Acronychia pedunculata, the identification of secondary metabolites contained in this species and evaluation of their biological properties. The second chapter refers to the development of analytical methods for the identification of acetophenones (chemotaxonomic markers of the genus) and to the dereplication strategies for the chemical characterisation of extracts by UHPLC-HRMSn. The third chapter focuses on the application of metabolomic methodologies (LC-MS & NMR) for comparative analysis (between different species, origins, organs), chemotaxonomic studies (between species) and compound-activity correlations.