Th.--Pharm.--Paris 5, 1982. N°: 73.

Ce travail a pour but de mettre au point des nouvelles méthodes pour la recherche avancée sur les cellules souches et les cellules cancéreuses. Nous avons d'abord développé une méthode de patch pour la culture et la différentiation des cellules souches pluripotentes induites humain (hiPSCs) "hors sol". Ce patch de culture est constitué des monocouches de nanofibres réticulées de gélatine sur un support en nid d'abeilles pour assurer un minimum de contact de matériel exogène et un maximum de perméabilité. Puis, nous avons démontré la formation des tissues cardiaques et des neurones moteurs sur le patch, partis de colonies des hiPSCs en forme d'embryoïdes et de monocouches respectivement. Nous avons également développé un dispositif microfluidique avec filtre intégré pour isoler les cellules tumorales circulantes (CTCs), montrant une haute performance de capture en termes d'efficacité, de sélectivité et de viabilité cellulaire. Enfin, nous avons évalué l'effet de drogue anticancéreuse à la formation des sphéroïdes tumoraux en utilisant des multi-puits d'agarose micro-fabriqués. Tous ensembles, nous avons progressé dans la micro-ingénierie vers des applications à grande échelle. / This work aimed to provide new tools and methods that can be used for advanced studies of stem cells and cancer cells. We first developed a patch method for off-ground culture and differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). The culture patch we proposed consists of crosslinked monolayer gelatin nanofibers on a honeycomb frame to ensure minimal exogenous material contact and maximum permeability. Then, we demonstrated the formation of cardiac tissue constructs and motor neurons on the patch, started from embryoid-body like and monolayer hiPSC colonies, respectively. We also developed a microfluidic device with integrated filter for isolation of circulating tumor cells (CTCs), showing high capture performances in terms of efficiency, selectivity and cell viability. Finally, we evaluated the anti-cancer drug effect on the formation of tumor spheroids by using microfabricated agarose multi-wells. All together, we progressed in micro-engineering toward large scale applications.

Le contrôle de la transparence de la cornée dépend de l'intégrité de l'endothélium cornéen mono-stratifié qui est classiquement considéré dès la naissance, dépourvu de capacité de régénération chez l'homme. Dans des conditions pathologiques conduisant à la cécité par œdème cornéen, les pertes significatives en cellules endothéliales (CE) ne sont pas remplacée efficacement, ce qui signifie que ni de nouvelles CE provenant de cellules souches (CS), ni la division des cellules voisines des lésions ne peuvent contribuer à la régénération endothéliale. Toutefois, plusieurs travaux ont prouvé depuis 25 ans que les CE possédaient une capacité proliférative résiduelle ex vivo et deux équipes ont suggéré l'existence de CS ou de progéniteurs à la périphérie de l'endothélium cornéen. Dans notre travail de thèse, nous avons tout d'abord optimisé, en la systématisant, une technique d'immunomarquage spécialement adaptée à l'endothélium cornéen intact de cornées montées à plat. A l'issue de ces développements, nous disposons de protocoles simples de fixation à température optimale et de démasquages antigéniques susceptibles de permettre la révélation de nombreuses protéines. A partir d'une importante série de cornées humaines non conservées et d'autres conservées en organoculture, et grâce à cet outil désormais efficace, nous avons étudié le cycle cellulaire des CE et la localisation de potentielles CS sur l'endothélium cornéen humaine. Nos résultats démontrent que dans ces conditions, les CE expriment de façon homogène des régulateurs positifs (PCNA, MCM2, cycline D1, cycline E et cycline A) et des régulateurs négatifs du cycle cellulaire (P16, P27); certaines particularités ont par ailleurs pu être décrites de façon innovante, comme la localisation cytoplasmique diffuse de MCM2, paranucléaire de la cycline D1, l'absence de P21. L'ensemble des marquages pourrait suggérer que les CE sont arrêtées en fin de G1, après le point de restriction et que de nombreux mécanismes de réparation de l'ADN sont mis en jeux dans les CE exposées à un stress oxydant important tout au long de l'existence. Nous avons identifié une nouvelle organisation de la micro-anatomie de la périphérie et de l'extrême périphérie de l'endothélium où des cellules regroupées en multiples clusters pluristratifiés semblent alimenter des colonnes de CE radiaires longues d'un millimètre. Ces éléments, associés à l'observation d'une moindre différenciation et d'une compétence proliférative plus élevés en périphérie suggèrent un nouveau modèle d'homéostasie endothéliale humaine in vivo: toute la vie, des CS périphériques alimentent de façon très lente la périphérie cornéenne en CE qui migrent de façon centripète pour assurer la stabilité du centre cornéen dont les propriétés optiques primordiales sont sous-tendues par un endothélium qui ne perd que 0,6% de CE par an. A la différence de l'épithélium cornéen, ce système ne peut être accéléré lors de circonstances pathologiques. Les perspectives de nos travaux sont désormais d'essayer d'isoler de l'extrême périphérie les CS endothéliales ou les progéniteurs et de les cultiver en recréant un microenvironnement favorable. La possibilité de produire un grand nombre de CE in vitre non pas à partir de CE sénescentes prélevées sur la totalité de l'endothélium comme cela a été tenté par la passé, mais cette fois à partir de CS ou des progéniteurs ouvriraient la voie d'une véritable thérapie cellulaire endothéliale. L'enrichissement des greffons pendant la durée de leur conservation à la banque de cornée pourrait constituer une première étape majeure avant d'envisager créer de novo un endothélium sur un support greffable pour une greffe endothéliale du 3e type qui deviendrait ainsi enfin indépendante des aléas de la découpe du greffon. Enfin, l'ïdentification de la CS endothéliale et de son microenvironnement permettra aussi d'envisager une thérapie cellulaire in vivo pour traiter les stades précoces des pathologies endothéliales cornéennes

Le rendement de conversion photoélectrique des cellules photovoltaïques organiques est encore trop faible pour envisager leur production à l'échelle industrielle. La solution proposée dans le cadre de ce travail est l'amélioration du rendement d'absorption des photons dans les couches photoactives. La première partie de ce travail à concerné le développement d'un logiciel de modélisation et d'optimisation des cellules photovoltaïques organiques. Basé sur le calcul de la répartition du champ électromagnétique dans l'épaisseur de la cellule, cet outil permet d'optimiser l'ensemble des épaisseurs des couches d'une cellule classique (bicouche ou mélange) ou des cellules plus complexes (cellules tandem).<br />Puis nous avons relié les propriétés optiques des cellules organiques à leurs propriétés électriques en calculant les densités de courant de court circuit. La validation de nos modélisations a ensuite été réalisée par comparaison avec les résultats expérimentaux sur des cellules composées d'hétérojonctions bicouches ou de volume et pour différents couples donneur-accepteur (P3HT:PCBM, CuPc/C60 ou pentacène:pérylène). Dans la dernière partie de ce travail nous avons abordé l'étude de l'exaltation locale du champ électromagnétique via des effets de plasmons de surface. Pour cela, nous avons modélisé, réalisé et caractérisé des empilements de couches organiques, contenant des nanoparticules métalliques (or et argent), dans le but d'exalter localement le champ électromagnétique.

La morphogenèse des tissus dans les organismes multicellulaires est très importante pour le développement et certaines pathologies. La morphogenèse tissulaire est dirigée par des forces bio-mécaniques générées par des moteurs moléculaires tels que la myosine et transmis via le cytosquelette et les structures d'adhésion à l'intérieur et entre les cellules. La contractilité de la myosine, souvent en mode oscillatoire, a été étudiée principalement au niveau du domaine apical des cellules épithéliales au cours du développement mais très peu au niveau de leur domaine basal. L'oscillation de la myosine basale est importante pour le contrôle de l'élongation du tissu durant l'oogenèse chez la Drosophile. Bien que la voie Rho1-ROCK-myosin-MBS soit connue pour contrôler l'activité de la myosine, le mécanisme précis de ce contrôle n'a pas été élucidé. Le but de mon projet de thèse est de répondre à deux questions : Quels sont les facteurs en amont de cette voie ? Comment cette voie de signalisation crée et maintient l'oscillation de la myosine ? 1) Contrairement à ce qui est déjà connu, Je me suis intéressé à l'effet des adhésions cellule-cellule et cellule-matrice dans le contrôle des voies de signalisation gouvernant l'oscillation de la myosine basale. Les adhésions cellule-matrice, mais pas les adhésions cellule-cellule, sont positivement corrélées avec l'intensité et la polarité dorso-ventrale de la myosine, indiquant que les adhésions cellule-matrice pourraient être les facteurs en amont de la voie Rho1-myosine. Les adhésions cellule-matrice régulent positivement l'activité de Rho1 près des jonctions et gouvernent les flux de ROCK et myosine à l'intérieur du domaine median, contrôlant ainsi l'élongation du tissu. D'une autre manière, les adhésions cellule-cellule affectent indirectement les flux de ROCK and myosine en contrôlant la distribution subcellulaire de ROCK et du réseau d'actomyosine. L'inhibition des adhésions cellule-cellule, qui a un effet mineur sur l'élongation du tissu, provoque la redistribution des adhésions cellule-matrice et des filaments F-actin entrainant le chargement de la myosine à différentes positions. 2) J'ai montré que l'oscillation de la myosine basale dépend peu de la tension corticale de l'actomyosine : l'inhibition du chargement de la myosine sur les filaments d'actine n'affecte pas le flux de myosine alors qu'il bloque fortement le cycle périodique des contractions/relaxations de la cellule indiquant que l'oscillation est principalement due à une réaction biochimique plutôt qu'à une tension corticale. Au cours de l'oscillation de la myosine, les protéines Rho1 et leur activité sont principalement distribuées et enrichies au niveau et près des jonctions basales, et le contrôle majeur de cette oscillation est le flux des signaux ROCK qui diffusent des jonctions basales au cortex medio-basal. Ce mouvement de ROCK est initié grâce à une interaction transitoire entre ROCK et Rho1 actif au niveau et près des jonctions basales, conduisant ainsi à l'ouverture et activation de la kinase ROCK. Au cours de ce mouvement, l'activation de ROCK permet l'accumulation et l'amplification des signaux ROCK; Cette amplification entraîne la phosphorylation de la myosine, qui ensuite génère la redistribution dynamique de la phosphatase MBS. Enfin, l'enrichissement des signaux MBS arrête les signaux ROCK et myosine. Dans ces deux études, nous avons construit un outil optogénétique confirmant les différentes étapes de l'oscillation de la myosine basale. L'ensemble de ces résultats démontrent que le mécanisme contrôlant l'oscillation de la myosine basale nécessite une réaction biochimique, et met en évidence deux contrôles diffèrent de cette oscillation par les adhésions cellule-cellule et les adhésions cellule-matrice. / Tissue morphogenesis in multicellular organisms is very important in both development and human disease. Tissue morphogenesis is driven by bio-mechanic force that is normally generated by molecular motors such as myosin and transmitted via cytoskeleton and adhesion structures within and between cells. Myosin contractility, often as an oscillatory pattern, has been studied mainly in apical but less in basal domains of epithelial cells during development. Basal myosin oscillation is important in control of tissue elongation during Drosophila oogenesis. Although a signal cascade (Rho1-ROCK-myosin-MBS) has been known to regulate myosin activity, the detailed controlling mechanism is unclear. My project is aimed to address two questions: first, what is the upstream factor of this signal cascade? Second, how does this signal cascade create and maintain basal myosin oscillation? For this first question, I am interested in the effect of cell-cell and cell-matrix adhesion in control of this signal cascade governing basal myosin oscillation. Cell-matrix adhesion (Integrin and Talin), but not cell-cell adhesion (E-cadherin), is positively correlated with the intensity and Dorsal-ventral (DV) axis polarity of basal myosin oscillation, indicating that cell-matrix adhesion might be the upstream control of Rho1-myosin signal cascade. Cell-matrix adhesion positively regulates the Rho1 activity near junction and governs the pulsed ROCK and myosin signals within basal-medial domain, thus strongly controlling tissue elongation. Differently, cell-cell adhesion indirectly affects the ROCK and myosin pulses through controlling the subcellular distribution of ROCK and actomyosin network. Inhibition of cell-cell adhesion results in the redistribution of cell-matrix adhesion and F-actin filaments leading to different position of myosin loading, which plays minor effect on tissue elongation. For the second question, I unraveled that basal myosin oscillation is barely dependent on actomyosin cortical tension: inhibition of myosin loading to F-actin filament seems not to affect basal pulsatile myosin flows, while it strongly blocks the periodic cycle of cell contraction and relaxation at basal surface, thus indicating that oscillation is mainly from biochemical reaction rather than cortical tension. This observation highlighted that biochemical reaction is the main control of oscillation occurrence. During basal myosin oscillation, Rho1 proteins and Rho1 activity are mainly distributed and enriched at and near basal junction and the major control of basal myosin oscillation is the flow movement of oscillatory ROCK signals from basal junction to medio-basal cortex. This ROCK flow movement is initiated from the transient interaction of ROCK with active Rho1 at and near basal junction, thus leading to the opening and activation of ROCK kinase capability. During the membrane-medial flow movement, ROCK kinase activity mediates the accumulation and thus the amplification of ROCK signals; this positive signal amplification turns on the phosphorylation of myosin regulatory light chain (MRLC), which governs the dynamic redistribution of MBS. Finally, enriched MBS signals shut off both ROCK and myosin signals. In both study, an optogenetic tool named as LARIAT was built up in vivo to confirm the various status of basal myosin oscillation. Altogether, these results demonstrated two different controls of basal actomyosin signals by cell-matrix adhesion and cell-cell adhesion, and further demonstrated the underlying mechanism of basal myosin oscillation at the biochemical levels.

Les lésions médullaires traumatiques (LMT) conduisent à une atteinte des voies nerveuses sensitives et motrices. Leur taux de mortalité reste très élevé, d'où la nécessité de trouver de nouveaux traitements. Les Cellules Gliales Olfactives (CGOs) représentent un candidat intéressant de par leur fonction au sein du système olfactif primaire. La découverte d'une population de cellule souche neurale bordant le canal central de la moelle spinale (MS) adulte, appelées cellules épendymaires, suscite un nouvel espoir dans le domaine des biothérapies. Ce travail de thèse a permis d'étudier l'effet d'une transplantation de CGOs sue le comportement des cellules résidentes de la moelle spinale et notamment les cellules souches épendymaires qui, en association avec les astrocytes et les péricytes, participent aux mécanismes de guérison des LMT. L'utilisation du modèle murin hFoxJ1-CreERT2::YFP (permettant le suivi spécifique des cellules épendymaires et de leur progénie), a montré que les CGOs augmentaient in vitro le potentiel d'auto-renouvellement des cellules souches de la MS et modifiaient leur voie de différenciation vers un type neural. In vivo, la transplantation de CGOs augmente la prolifération des cellules épendymaires ainsi que leur différenciation en astrocytes hypo-réactifs conduisant à la formation d'un environnement post-lésionnel bénéfique à la survie neuronal et l'établissement d'une neurogenèse. Nos travaux ont montré pour la première fois que la transplantation de CGOs après LMT permettait la génération de nouveaux neurones. Ceci constitue un nouvel espoir dans l'établissement de stratégies thérapeutiques pour le traitement des LMT chez l'Homme. / The spinal cord injuries (SCI) lead to the damages of the spinal cord or nerves and often cause permanent changes in body functions leading to the death. Cell therapies have raised great hope for regenerative medicine. Clinical data showed that the olfactory ensheathing cells (OECs) enhanced functional recovery after SCI and could be a very attractive therapeutic approach. Moreover, the discovery of a new endogenous resident stem cell population, lining the central canal of the spinal cord, named ependymal stem cells, represents a new hope for the therapy. This thesis analyzed the role of OECs transplantation, on the behaviour of ependymal stem cells since these cells, together with astrocytes and pericytes significantly contribute to the recovery of SCI. The use of the mouse model hFoxJ1-CreERT2::YFP (allowing to specifically follow the ependymal stem cells ant their progeny) showed that OECs increased in vitro the self-renewal potential of spinal cord stem cells and modified their differentiation pathway towards a neural type. In vivo, OECs transplantation significantly increases the proliferation of ependymal cells and their differenciation into hypo-reactive astrocytes leading to the formation of a beneficial environment to neuronal survival and the neurogenesis establishment. Our results also showed for the first time that OECs transplantation after SCI allows the generation of new neurons by non-ependymal cell-derived progenitors. These results represent a new hope in the establishment of therapeutic strategies for the treatment of SCI in humans.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les vertébrés, du poisson à l'homme, possèdent un potentiel membranaire médié en partie par les ions chlorure (Cl-). L’une des premières formes d’activité neuronale lors du développement est la dépolarisation médiée par les ions chlorures extrudés par les canaux glycinergiques (GlyR) et GABAergiques. Cette dépolarisation est rendu possible grâce à l’expression retardée du co-transporteur d’ions chlorure et de potassium KCC2 lors du développement qui génère un gradient hyperpolarisant postnatalement chez les mammifères. Le rôle de cette dépolarisation précoce paradoxale durant le développement est inconnu. En injectant l’ARNm de KCC2 dans des embryons de poissons zébrés nouvellement fertilisé, nous avons devancé l’expression de ce co-transporteur rendant ainsi la glycine hyperpolarisante dans tous les neurones dès les premières phases du développement. Nous avons aussi ciblé le récepteur glycinergique directement en bloquant son activité et son expression à l’aide d’une drogue spécifique, la strychnine et d’un morpholino antisens (Knockdown). Dans les trois cas (KCC2, strychnine et GlyR KD), les perturbations de l’activité neuronale ont provoqués des erreurs dans la neurogenèse, en particulier une diminution du nombre d’interneurones sans avoir d’effets sur les motoneurones et les neurones sensoriels. De plus, en bloquant les canaux calciques activés à bas voltage dans le développement avec la drogue nifedipine, il y a des erreurs dans la neurogénèse semblables à celles remarquées dans les trois conditions précédentes. Nous concluons que la dépolarisation précoce par la glycine permet l’entrée du calcium et l’activation de la neurogénèse chez les interneurones. / Vertebrates, from fish to man, have a membrane potential mediated in part by chloride ions (Cl-). One of the first neuronal activity during development of the zebrafish spinal cord is cell depolarisation mediated by chloride extrusion via glycinergic receptors (GlyRs) and GABAergic receptors. This depolarisation is due to the absence of chloride-potassium cotransport channel KCC2, whose expression comes later in development, creating a hyperpolarising gradient. The role of this paradoxal depolarisation period during early stages of development is still unknown. By injecting KCC2 mRNA in newly fertilised zebrafish embryos, we expressed this co-transporter channel in neurons causing glycine to hyperpolarize in early phases of development. We also directly targeted the glycine receptor (GlyR) itself by blocking its activation with a chronic treatment of Strychnine, a specific drug, and by knocking down the expression of this receptor with an antisense morpholino injection. In those three conditions (KCC2, Strychnine and GlyR KD), perturbation of neuronal activity provoked major defects in neurogenesis, particulary in development of interneurons, without affecting other types of cells like motoneurons and sensory neurons. In addition, blocking low-voltage activated calcium channels with nifedipine provoked similar phenotypes. We conclude that the early glycine-mediated depolarisation allow calcium entry, thus activating certain aspects of interneurons neurogenesis.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.