Les activités électriques ectopiques à l’origine des épisodes de fibrillation atriale pourraient être dues à des échanges calciques anormaux dans les cardiomyocytes (CM) de veine pulmonaire (VP). Le cycle du calcium des CM de VP a donc été caractérisé et comparé à celui des CM d’oreillette gauche (OG) et de ventricule gauche (VG). Des outils ont été développés pour mesurer la régularité d’organisation des réseaux de tubules transverses et la contractilité des CM de VP. Contrairement aux CM d’OG et de VG, l’organisation hétérogène du réseau de tubules dans la population des CM de VP conduit à une grande variabilité de forme des transitoires calciques et d’amplitude de contraction. Au sein des VP, ces différents types de CM sont regroupés en îlots. La fréquence des libérations calciques spontanées est également plus grande dans les CM de VP que dans ceux d’OG et de VG. La population des CM de VP présente une dynamique calcique aux caractéristiques uniques pouvant être source d’arythmies. / Ectopic foci leading to atrial fibrillation episodes might be due to abnormal calcium handling by the pulmonary vein (PV) cardiomyocytes (CM). Therefore, the calcium cycle of PV CM was characterized and compared to those of left atria (LA) and left ventricle (LV) CM. Some tools have been developed to measure the organization of transverse tubular networks and contractility of PV CM. Unlike LA and LV CM, the heterogeneous organization of the tubular networks in the PV CM population leads to wide ranges of calcium transient shapes and contraction amplitudes. Within the whole PV, these different types of CM are gathered in islets. The frequency of spontaneous calcium release is also higher in PV CM than in LA and LV CM. The special features of the calcium handling properties of the PV CM population could be a source of arrhythmias.

Les lésions d’Ischémie/Reperfusion (I/R) contribuent à la physiopathologie de l’infarctus du myocarde. Le stress induit par l’I/R entraîne la mort des cardiomyocytes, une forte réponse inflammatoire de type stérile et la mise en place d’un processus de réparation impliquant les fibroblastes cardiaques. Il a précédemment été montré au laboratoire que l’activation du récepteur purinergique P2Y11 par l’ATP diminuait la sécrétion d’IL-6 et d’IL- 12 par la cellule dendritique (DC), permettant une diminution de la polarisation vers une réponse adaptative Th1. Nous avons donc émis l’hypothèse que la signalisation purinergique pouvait également moduler la mortalité des cardiomyocytes et l’activation des fibroblastes cardiaques après I/R, en diminuant la mise en place de réponses cellulaires délétères à long terme pour l’organe. L’objectif de cette thèse a été de déterminer in vitro le rôle de la signalisation purinergique sur la réponse des cardiomyocytes et des fibroblastes cardiaques à l’Hypoxie/Réoxygénation (H/R). Nous avons pu montrer que l’activation des récepteurs purinergiques au moment de la réoxygénation, en particulier du récepteur P2Y11, permettait de réduire la mortalité des cardiomyocytes après H/R. Nous avons ensuite montré que la stimulation de P2Y11 au moment de la réoxygénation diminue la prolifération des fibroblastes cardiaques et leur switch phénotypique en myofibroblastes, mais aussi diminue leur sécrétion de facteurs pro-inflammatoires. Le sécrétome des fibroblastes cardiaques a également induit une diminution de la sécrétion d’IL-6 et d’IL-12 par les DC, ainsi qu’une diminution de la mortalité des cardiomyocytes soumis à une H/R. Ces effets immunomodulateurs et cardioprotecteurs étaient dépendants de l’activation du récepteur P2Y11 sur les fibroblastes cardiaques. Ces résultats suggèrent fortement que le récepteur P2Y11 est au centre des réponses cellulaires post-H/R, et que le cibler in vivo à la reperfusion pourrait améliorer le pronostic clinique des patients atteints d’infarctus du myocarde. / Ischemia/Reperfusion injuries are involved in the pathophysiology of myocardial infarction. I/R-induced stress leads to massive cardiomyocyte death, an acute inflammatory response and the establishment of a repair process by cardiac fibroblasts. Previous work in the laboratory showed that P2Y11 purinergic receptor activation by ATP decreased IL-6 and IL-12 secretion by dendritic cells (DC), inducing a decrease in polarization towards Th1 response. We hypothesized that purinergic signaling could also modulate cardiomyocyte death and activation of cardiac fibroblasts responses to hypoxia/reoxygenation (H/R). We showed that the activation of purinergic receptors at the onset of reoxygenation, especially P2Y11 receptor, improved cardiomyocytes survival following H/R. We then showed that P2Y11 stimulation at the onset of reoxygenation decreased cardiac fibroblasts proliferation and their phenotypic switch into myofibroblasts, but also decreased their secretion of pro-inflammatory factors. Cardiac fibroblasts secretome reduced IL-6 and IL-12 secretion by DC, and cardiomyocyte mortality. These immunomodulatory and cardioprotective effects were dependent on P2Y11 receptor activation in cardiac fibroblasts. These results suggest that P2Y11 receptor is strongly involved in post- H/R cellular responses, and that targeting this receptor in vivo could improve the clinical prognosis of patients with myocardial infarction.

L'insuffisance cardiaque chronique (ICC) est une maladie dite " systémique " caractérisée notamment par le dérèglement de la balance végétative cardiaque et par un remodelage de l'architecture du tissu cardiaque. En rééducation cardiovasculaire, l'activité physique (AP) modérée et régulière joue un rôle majeur : améliorant les symptômes, la qualité de vie, l'aptitude physique des patients, elle permet de réduire les ré-hospitalisations et impacte favorablement la morbi-mortalité. Dans un premier travail bibliographique nous proposons une synthèse des effets bénéfiques de l'AP chez l'ICC, sur le rééquilibrage de l'activité orthosympathique et parasympathique. Puis, dans un deuxième travail, nous montrons que le réentraînement à l'effort par intervalles, court, intense, avec récupération passive améliore plus efficacement la capacité physique et le tonus vagal chez le patient ICC comparativement à un entraînement d'intensité modérée et continue. Enfin dans un troisième travail initié chez le rongeur en IC systolique post-ischémique, les analyses histologiques indiquent que l'entraînement débuté très tôt après la phase aigüe (J+7), provoque à la fois une hypertrophie et une amélioration de l'organisation structurelle des cardiomyocytes (alignement de l'appareil contractile, réorganisation de l'agencement des mitochondries inter-fibrillaires et des disques intercalaires). Par contre, la question de la prolifération des cardiomyocytes induite par l'entraînement reste entière pour le moment. En synthèse, notre projet Doctoral s'articule autour d'un projet clinique chez le patient ICC et d'une étude fondamentale chez la souris IC post-ischémique. L'objectif général de ces travaux est de déterminer de nouvelles caractéristiques pour les programmes d'exercice physique dans l'ICC, utilisables en pratique clinique courante au cours de la réadaptation cardiovasculaire. / Chronic heart failure (CHF) is characterized by the disruption of the cardiac vegetative balance and by a remodelling of the architecture of the cardiac tissue. Moderate and regular physical activity (PA) is the cornerstone of the cardiovascular rehabilitation programs. By improving symptoms, quality of life, physical fitness of the patients, PA also reduce re-hospitalization and had a favourable impact on morbi-mortality. In a first work, we propose a review of the beneficial effects of PA in patients with CHF, on the sympathovagal balance activity. Then, in a second work, we show that short high intensity interval training with passive recovery is more efficient than moderate intensity and continuous training to improve physical fitness and vagal tone in CHF patients. Finally, in a third work initiated in the rodent with post-ischemic heart failure, the histological analyses indicate that early (D+7, after the acute coronary syndrome) exercise training-induced both hypertrophy and an improvement of the structural organization of the cardiomyocytes. The question of exercise training-induced cardiomyocyte proliferation remains. In summary, our PhD project is based on two studies merging clinical trial and basic research. The overall goal of this work is to identify new features for physical exercise training programs in CHF that can be used in routine care during cardiovascular rehabilitation.

L'insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l'organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j'ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l'installation de l'insuffisance cardiaque. L'utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l'organisation oligomérique d'une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l'insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d'oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d'étudier la conformation oligomérique, j'ai utilisé la spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu'il y ait une régulation des voies de signalisations par l'oligomérisation des récepteurs activés. La différence d'activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l'insuffisance cardiaqu / Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

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Die vorgelegte Dissertationsschrift dient der Identifizierung des Mechanismus, über welchen neonatale Kardiomyozyten der Ratte biaxialen zyklischen Stretch wahrnehmen. Angriffspunkt dafür bildeten sowohl Stretch Activated Ion Channels (SAIC) als auch die mit Integrinen assoziierte Focal Adhesion Kinase (FAK). Die Inhibition der SAIC erfolgte mit Gadolinium und eine Blockade der FAK konnte durch den FAK-Inhibitor II erreicht werden. Eigens angelegte Zellkulturen wurden unter definierten Parametern für 24 Stunden unter Einwirkung genannter Stoffe gestretcht und anschließend einer Analyse mittels Immunfluoreszenz und Western Blot unterzogen. Gestretchte Kardiomyozyten richteten sich schräg zur Achse der einwirkenden Kraft aus und wiesen eine Polarisierung von Connexin 43 auf, außerdem zeigte sich dessen gesteigerte Expression. Durch die Blockade der FAK konnte lediglich eine aufgehobene Polarisierung von Connexin 43 bei unveränderter Expression und Ausrichtung der Kardiomyozyten festgestellt werden. Auch die Mikrotubuli veränderten nach Stretch ihre Orientierung bezogen auf die Zellachse. Die zunächst annähernde Parallelität der Fasern zeigte sich nach Inhibition der FAK deutlich aufgelockert. Für die Aktinfilamente konnte dies nicht nachgewiesen werden. Die Integrine dienen demnach der Wahrnehmung von Stretch und vermitteln die Polarisierung von Connexin 43 sowie die Orientierung der Mikrotubuli über die FAK. Für die anderen genannten Prozesse ist die Aktivierung eines FAK-unabhängigen Integrin-Signalweges denkbar. Gadolinium hatte insgesamt keinen Effekt auf beschriebene Veränderungen, sodass ein Einfluss der SAIC auf Stretch-induzierte Veränderungen in Kardiomyozyten ausgeschlossen werden konnte. Gleichzeitig konnte durch die Beobachtung der Polarisierung von Microtubule Organizing Center, Kinesin und Golgi-Apparat die Hypothese der sich durch Stretch orientierenden neonatalen Kardiomyozyte unterstützt werden, welche die Voraussetzung für die Anordnung von Connexin 43 an den Zellpolen darstellen könnte. Sowohl die Selbstorganisation des Myokards im Rahmen der Embryogenese als auch die Pathophysiologie verschiedener kardialer Erkrankungen könnte dadurch womöglich besser verstanden werden.

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Epigenetic modifications are alterations in the cell nucleus that affect gene expression and can occur in chromatin at the level of DNA methylation or histone modifications. Such ‘epigenetic marks’ can be heritable through cell division but leave the DNA sequence unchanged. Post-­translational modifications can be found on the histone proteins associated with DNA; the majority of histone modifications are found on the lysine-­rich N-‐terminal amino acid “tails”. Histone acetylation and methylation influence the chromatin structure by loosening or tightening the packaging of DNA, respectively, in association with other chromatin modifiers. Condensed chromatin is linked to transcriptional silencing and genetic imprinting and also occurs at chromosomal centromeres, where it is linked to kinetochore binding. Heart development is well studied, but the epigenetic processes involved are not yet completely understood. While active chromatin mechanisms such as histone acetylation and chromatin remodelling have been described in the heart, the role of gene repressive epigenetic mechanisms has been poorly investigated. Cardiomyocytes are post-­mitotic cells that do not divide to regenerate a damaged heart. The regeneration of cardiomyocytes after myocardial infarction is an important topic of interest in cardiovascular science. There are various approaches to heart repair after infarction, including activating cardiomyocytes so they become mitotic once again, or growing cardiomyocytes in vitro to attach to a lesion site. An important factor in these approaches is understanding the epigenetic mechanisms controlling cell division. In this thesis, we aim to advance the current knowledge of the epigenetic repressive mechanisms involved in cardiomyocyte formation and heart development to explain their lack of regenerative capacities. We studied the epigenetic changes that occur during cardiac development leading to a non-­‐regenerative state to pinpoint the moment at which these changes arise. We found that the epigenetic process is independent of whether cardiac lineage differentiation occurs during embryogenesis or during differentiation in vitro. We discovered that cardiac heterochromatin displays a singular epigenetic signature during development as compared to brain, another post-­mitotic tissue, or liver, an actively regenerative tissue. We observed an epigenetic change in the repressive histone modification histone H3 lysine 9 trimethylation that was specific to heart development. This change involved a nuclear reorganisation of heterochromatin and a reduction of the levels of this mark in E13.5 and E14.5 embryos, as compared to E10.5 embryos. This was consistent with our observations of the histone lysine methyltransferase SUV39H1, the levels of which were lower after stage E10.5 of development. However, contradictorily, in differentiated cardiomyocytes in vitro, SUV39H1 was increased but showed low levels of H3K9me3, compared to ES cells, which had low levels of SUV39H1 and high levels of H3K9me3. We detected extremely low levels of the H3K9me3 in adult heart tissue. We observed that in adult hearts, the myocardium had maintained these major changes in H3K9me3, while this effect was not observed in the epicardium. Genomic studies were carried out to determine changes at a genomic level between the two key epigenetic stages in heart development we identified at E10.5 and E13.5. Methylated DNA immunoprecipitation sequencing and chromatin immunoprecipitation sequencing for H3K9me3 analyses were carried out to find overall changes in methylation patterns. No global changes in DNA methylation were detected between these developmental stages. These results imply that the differences observed in H3K9me3 are due to remodelling of the heterochromatin during heart development and cardiomyocyte formation, rather than quantitative changes.

Le vieillissement de l'organisme prédispose à de nombreuses pathologies chroniques telles que l'insuffisance cardiaque (IC). Des études récentes ont montré que l'accumulation de cellules sénescentes dans les organes au cours du vieillissement est associée à l'apparition de ces pathologies. La sénescence cellulaire a initialement été décrite comme un arrêt stable du cycle cellulaire permettant de limiter la prolifération des cellules dont l'ADN est endommagé. Ce processus s'accompagne de profondes modifications de la fonction cellulaire, avec notamment l'acquisition d'un phénotype sécrétoire associé à la sénescence. La sénescence peut être induite par un raccourcissement des télomères ou par l'exposition à des signaux de stress, tels que le stress oxydant ou l'irradiation, qui entrainent l'activation de la réponse cellulaire aux dommages de l'ADN et l'expression des gènes suppresseurs de tumeurs (p16INK4a, p21CIP1, p53). Ces inhibiteurs du cycle cellulaire sont classiquement utilisés comme marqueur de sénescence car leur expression augmente de manière ubiquitaire au cours du vieillissement. Toutefois, ces marqueurs ne sont pas spécifiques du tissu concerné et un des objectifs de ma thèse a été d'identifier de nouveaux marqueurs de sénescence tissu-spécifiques qui pourraient caractériser un vieillissement cardiaque pathologique. Le vieillissement cardiaque se caractérise par une hypertrophie des cardiomyocytes, une sensibilité accrue au stress et une prédisposition à l'IC. Les cardiomyocytes étant des cellules post-mitotiques, les mécanismes de sénescence mis en jeu, les marqueurs associés et leur rôle potentiel dans l'IC demeurent à l'heure actuelle peu caractérisés. Au cours de ce travail de thèse nous avons donc entrepris : 1) d'étudier le rôle des télomères et des dysfonctions mitochondriales dans l'induction de la sénescence du cardiomyocyte et 2) d'identifier des marqueurs spécifiques. Nous avons tout d'abord montré que les cardiomyocytes de souris âgées expriment les marqueurs classiques de la sénescence comme p16INK4a, p53 et p21CIP1. Concernant les mécanismes inducteurs, nous avons étudié l'implication des dommages télomériques (telomere associated foci, TAF). Au cours du vieillissement, nous avons observé une augmentation du nombre de TAFs par cardiomyocytes en association avec l'hypertrophie. De plus, l'induction de TAFs in vitro est suffisante à l'activation de la voie de sénescence p53/p21CIP1 et l'hypertrophie dans une lignée de cardiomyoblastes H9c2. La formation des TAFs est augmentée chez des souris avec une dysfonction mitochondriale et est associée à l'activation des voies p53/p21CIP1. Par ailleurs, les cardiomyocytes âgés présentent une dérégulation des gènes impliqués dans la biologie mitochondriale pouvant rendre compte de l'augmentation des TAFs. Par l'analyse haut débit du transcriptome (RNAseq) nous avons identifié six nouveaux gènes qui sont surexprimés dans les cardiomyocytes sénescents (Prom2, Kcnk1, Pah, Edn3, Gdf15, Tgfb2). La comparaison d'expression de ces gènes dans le cœur avec d'autres tissus et avec le stroma cardiaque lors vieillissement a permis de confirmer la spécificité d'expression de ces marqueurs au niveau des cardiomyocytes. Nous avons validé cette signature dans deux modèles in vitro de sénescence induite par le stress et démontré que l'expression de certains de ces marqueurs est dépendante de la voie p53. De plus, l'expression de Prom2 est associée à l'hypertrophie des cardiomyocytes. En conclusion, nous avons démontré, qu'avec le vieillissement, les cardiomyocytes présentent un programme de sénescence associé à une dysfonction mitochondriale et une augmentation des TAFs. Cette sénescence se caractérise par l'activation des voies classiques de sénescence (p16INK4, p53/p21CIP1), une hypertrophie et l'acquisition d'une signature spécifique. Ces marqueurs offrent de nouvelles perspectives dans la compréhension de la sénescence cardiaque et dans son implication potentielle dans l'IC. / Ageing of the organism is associated with several chronic pathologies such as heart failure (HF). Recent studies have demonstrated the link between the accumulation of senescent cells during ageing and age-associated diseases. Cellular senescence, originally defined as a stable cell cycle arrest, acts as a tumorigenic repressor by limiting the proliferation of DNA damaged cells. Despite this protective effect, senescence is characterized by deep remodeling of cell biology which drives functional disorders, such as the acquisition of a senescence-associated secretory phenotype (SASP). Senescence can be induced by telomeric attrition and by exposition to cellular stress signals such as oxidative stress or irradiation, which induce telomeric damage, activation of the DNA Damage Response (DDR) and increased expression of antitumoral genes (p16INK4a, p21CIP1, p53). These genes are classically used as markers of senescence because their expression increases in several tissues during ageing but they are not tissue-specific. Therefore, At the cardiac level, ageing is characterized by cardiomyocytes hypertrophy, increased sensitivity to stress and highest risk of developing HF. Cardiomyocytes are post- mitotic cells and the senescence inductor mechanisms, specifics markers and their role in HF remains poorly understood. This thesis project is articulated around two aims, 1/ studying the role of telomeric damages and mitochondrial dysfunction in triggering cardiomyocyte senescence and 2/ identification of specifics markers. Fisrtly, we shown that aged cardiomyocytes overexpress classic markers of senescence such as p16INK4a, p53 et p21CIP1. Concerning the inductors mechanisms, we studied the implication of telomeric damages (telomere associated foci, TAF). During ageing, we found an increased number of TAFs per cardiomyocytes and their association with hypertrophy. Moreover, TAF- induction in cardiac H9c2 in vitro activated the p53/p21 pathway and induced senescence. These data confirmed the role of TAFs in cardiomyocyte senescence induction. Furthermore, aged cardiomyocytes exhibit a global alteration of genes involved in mitochondrial biology, oxidative stress and metabolism in aged cardiomyocytes that could play a prominent role in TAF accumulation with ageing. In a second part of the study, by using a next generation sequencing method (RNA-seq) we identified 6 new genes highly expressed in senescent cardiomyocytes (Prom2, Kcnk1, Pah, Edn3, Gdf15 and Tgfb2). Expression comparison with other senescent organs and cardiac stromal cells confirmed these new genes as cardiomyocyte specific. Thanks to an in vitro approach, we validate this signature by using different models of stress-induced senescence in cardiac H9c2 cells and demonstrated the implication of the p53 in the regulation of some of these genes. Moreover, Prom2 expression is associated with cardiomyocytes hypertrophy. In conclusion, we demonstrated that, with ageing, cardiomyocytes display a senescence phenotype associated with mitochondrial dysfunction and TAFs. This process is characterized by classic markers (p16INK4, p53/p21CIP1), hypertrophy and new identified signature. These new markers offer innovative perspectives in the understanding and the identification of the cardiac senescence and their potential deleterious role in heart failure.

With the recent advent of gene therapy, anti-apoptotic therapy has been receiving spotlight as a potential modality to inhibit the deterioration of pump function in the failing heart. We hypothesized that anti-apoptotic therapy using survivin gene delivery will 1) salvage H9c2 cells exposed to doxorubicin toxicity, and 2) ameliorate the progressive decline in left ventricular function in a rat model of doxorubicin-induced cardiomyopathy. The in vitro data suggested that survivin successfully prevented cell death under doxorubicin stress by both direct and indirect/paracrine mechanisms. Doxorubicin-treated animals developed progressive left ventricular dysfunction as evident by echocardiography and invasive pressure-volume loop analysis, which was prevented by ultrasound-mediated survivin plasmid delivery, but not empty plasmid delivery. Post-mortem analysis of myocardial tissue indicated a lowered apoptotic index in survivin-treated hearts, with evidence of decrease in interstitial fibrosis. In conclusion, survivin gene therapy was shown to ameliorate doxorubicin-induced cardiomyopathy, by decreasing apoptosis and preventing adverse remodeling.