Les néoplasies myéloprolifératives (NMP) sont des maladies hématologiques acquises de la cellule souche hématopoïétique. Une mutation activatrice de la protéine de signalisation JAK2, JAK2V617F, a été identifiée chez la moitié des patients atteints de NMP Philadelphie négatives. Il a été rapporté que les patients avec des NMP avaient une augmentation du risque thrombotique et de la densité microvasculaire dans la rate et la moelle osseuse, sans explication physiopathologique claire. Des travaux récents ont mis en évidence la présence de la mutation JAK2V617F non seulement dans les cellules sanguines mais également dans les cellules endothéliales (CE) de ces patients. Nous faisons l’hypothèse que la présence de JAK2V617F dans les CE pourrait modifier leurs propriétés expliquant l’augmentation de l’angiogenèse dans les NMP. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons voulu étudier le phénotype angiogénique des cellules endothéliales portant la mutation JAK2V617F. In vitro, nous disposons des particules lentivirales permettant d’obtenir des CE JAK2V617F par transduction lentivirale. In vivo, nous disposons des souris transgéniques exprimant la mutation JAK2V617F de manière conditionnelle (JAK2V617F/WT) grâce à la stratégie Cre-lox. Pour répondre à notre hypothèse, il été nécessaire de travailler avec des modèles murins exprimant la mutation JAK2V617F spécifiquement dans les CE sans atteinte concomitante de la lignée hématopoïétique. Dans un premier temps, nous avons voulu caractériser deux modèles endothéliaux inductibles couramment utilisés, Cdh5(PAC)-CreERT2 et Pdgfb-iCreERT2, en termes d’efficacité et de spécificité de recombinaison dans les cellules endothéliales vis-à-vis du compartiment hématopoïétique. Nous avons démontré que les souris adultes Cdh5(PAC)-CreERT2 pouvaient être utilisées comme modèles endothéliaux spécifiques, avec toutefois la mise en garde que la recombinaison est très variable entre les souris. Nous avons constaté que les souris PDGFB-iCreERT2 sont appropriées pour cibler les cellules endothéliales dans une large gamme d’organes à l'exception du foie, et devraient être utilisées dans les quatre premières semaines qui suivent l'induction, pour cibler un gène d’intérêt au niveau des cellules endothéliales, sans qu’il ait une atteinte concomitante dans la lignée hématopoïétique. Nous avons ensuite étudié les propriétés angiogéniques des cellules endothéliales JAK2V617F, in vitro en utilisant des HUVEC transduites avec un lentivirus permettant l’expression de JAK2V617F, et in vivo avec les souris Pdgfb-iCreERT2;JAK2V617F/WT. Nous avons démontré que les HUVEC JAK2V617F avaient un profil proangiogénique lié à une capacité proliférative élevée, résultant de l’activation de la voie JAK2/STAT3/PI3K. L’avantage hyperprolifératif que confère la mutation JAK2V617F aux cellules endothéliales a été confirmé in vivo avec le modèle de la vascularisation post-natale de la rétine, avec toutefois une diminution de la densité du réseau vasculaire due à une augmentation de la régression vasculaire au niveau de la rétine des souris Pdgfb-iCreERT2;JAK2V617F/WT. / Myeloproliferative neoplasms (MPNs) are acquired hematopoietic stem cell disorders. An activating mutation in the JAK2 signaling protein, JAK2V617F, was identified in half of the patients with Philadelphia chromosome-negative MPNs. It has been reported that patients with MPN had an increased risk of thrombosis but also an increased microvessel density in the spleen and bone marrow with no clear pathophysiological explanation. Several recent studies have demonstrated the presence of JAK2V617F mutation not only in blood cells but also in endothelial cells (EC) in MPN patients. We hypothesized that the presence of JAK2V617F in EC could change their properties leading to an increased angiogenesis process in MPNs. To address this question, our aim was to study the angiogenic phenotype of endothelial cells carrying the JAK2V617F mutation. For the in vitro experiments, we used lentiviral transduction of human JAK2V617F in EC. For the in vivo approach, we used transgenic mice (JAK2V617F/WT) that conditionally express JAK2V617F through Cre-lox strategy. To investigate our hypothesis, it was necessary to work with mice that express JAK2V617F specifically in EC without concomitant expression in hematopoietic cells. We first characterized two commonly-used inducible endothelial models, Cdh5(PAC)-CreERT2 and Pdgfb-iCreERT2, in terms of efficiency and specificity of recombination in endothelial cells. We showed that adult Cdh5(PAC)-CreERT2 mice can be used as specific endothelial model with however the wariness that recombination is highly variable among mice. We found that Pdgfb-iCreERT2 mice are appropriate to target endothelial cells in a wide range of organs except liver, and should be used within the four weeks after induction of Cre-mediated recombination to target a gene of interest in endothelial cells, without having a concomitant expression in hematopoietic lineage. We then studied the angiogenic properties of JAK2V617F endothelial cells, in vitro using JAK2V617F transduced HUVECs, and in vivo using Pdgfb-iCreERT2;JAK2V617F/WT mice. We observed that JAK2V617F HUVECs had a proangiogenic profile that was related to a highly proliferative potency, and that this phenotype results from a constitutive activation of JAK2/STAT3/PI3K pathway. The hyperproliferative advantage conferred by JAK2V617F to endothelial cells was confirmed in vivo using the postnatal vascularization model of the retina, with however a decrease in the density of the vascular network due to an increased vascular regression in Pdgfb-iCreERT2;JAK2V617F/WT mice’s retinas.

La méthode de préservation d’organes la plus utilisée actuellement en transplantation rénale est la conservation statique en hypothermie. Cependant, ce mode de conservation induit des dommages inhérents aux lésions du syndrome d’ischémie/reperfusion (I/R). Cette étude a eu pour objectif d’identifier de nouvelles conditions de préservation des greffons, afin de limiter les lésions d’I/R, en modulant la température de conservation ou par ajout d’un transporteur d’oxygène. Nous avons utilisé deux modèles : in vitro avec des cellules endothéliales et in vivo en autotransplantation rénale chez le porc.Les résultats ont confirmé les effets délétères de la conservation à 4°C contrairement à des conservations à 19°C, 27°C et surtout 32°C, permettant d’obtenir une activité métabolique, une viabilité et une intégrité cellulaire supérieures ainsi qu’une diminution des marqueurs de l’inflammation et du stress oxydant. Nous avons aussi démontré les bénéfices d'un nouveau transporteur d’oxygène, M101, dans deux des solutions de conservation les plus utilisés, UW et HTK. L'utilisation de M101 en conservation statique permet une meilleure reprise de fonction à court terme et une réduction de la fibrose, cause principale de la perte du greffon. Enfin, nous avons montré une conservation des bénéfices de M101 à des doses réduites et déterminé que cette protection était due à une multifonctionnalité de la molécule, combinant un transporteur d’oxygène, une activité superoxyde dismutase et une taille importante (permettant de réguler la pression oncotique). Ce travail a montré de nouvelles pistes de réflexion vers une préservation, et donc une qualité, supérieure des organes à transplanter. / The most used preservation method in renal transplantation is hypothermic cold storage (CS). However, this method induces damages inherent to the ischemia/ reperfusion (I /R) syndrome.My study was aimed at identifying new grafts preservation conditions, to limit I/R damage, by varying storage temperature or by adding an oxygen carrier.We used two models: in vitro with endothelial cells and in vivo in pig renal autotransplantation. The results confirmed the deleterious effects of 4°C storage in contrast to conservations at 19°C, 27°C and above 32°C, resulting in improved metabolic activity, cellular viability and integrity as well as a significant reduction in markers of inflammation and oxidative stress. Then we demonstrated the benefits of a new oxygen carrier, M101, in the two most used preservation solutions, UW and HTK. Indeed, use of M101 in CS protocols improved short-term function recovery and reduced fibrosis development, main cause of graft loss. Finally, we have shown that the benefits of M101 were preserved at lower doses and we determined that this protection was due to a multifunctionality of the molecule, combining oxygen transport, superoxyde dismutase activity and a large size (regulating oncotic pressure). This work permitted the uncovering of new concepts towards improved organ preservation and quality for transplantation.

A. Background<p><p>Skin wound healing (WH) is a dynamic and extremely determinate process of cellular, humoral and molecular mechanisms which begins directly after wounding and can last for years. WH is described as is an intricate process in which the skin (or another organ-tissue) repairs itself after injury. The process of skin WH occurs through the actions of an interplay of cells, growth factors and cytokines leading to wound closure.<p><p>WH occurs in three precisely and highly programmed phases: the inflammatory phase (day 0 to day 7) followed by the proliferative phase or vasculogenic phase (day 7 to day 21) and finally the remodeling phase (2 days - up to 2 years). For a successful healing, all three phases must occur in the proper sequence and time frame.<p><p>Many factors can interfere with one or more phases of the WH process, thus causing improper or impaired healing. The proliferation phase, in particular, requires the participation of various cells types such as fibroblasts, endothelial cells (ECs) and endothelial progenitor cells (EPCs), to produce a healthy well-vascularized granulation tissue for epithelization and wound closure.<p><p>A.1 Wound Healing And Obesity<p><p>In 2008, over 1.4 billion adults, 20 and older, were overweight. Of these, obesity has been shown to affect over 500 million people (OMS website). Moreover, the prevalence of obesity continues to rise, and by 2018, it is estimated that obesity will cost $ 347 billion annually.<p><p>Each year, in the US, approximately 33 million overweight and obese patients undergo surgery. Obesity causes a number of known health problems and increased post-surgical complications such as wound infection, dehiscence, hematoma and seroma. Surgeons anecdotally report WH complications among obese patients; however, little research has been conducted to investigate the mechanisms mediating impaired obesity-related WH. <p><p>Some previous work on diabetic patients and diabetic mice showed an imbalance between pro-oxydant and anti-oxydant genes as well as impaired EPCs proliferation and tube formation during the WH process. More then a hundred cytologic factors have been found to impair WH in the type 2 diabetic patient. It is a very complex and multifactorial problem involving decreased growth factors secretion, impaired keratinocyte and fibroblast functions, impaired EPs function, alteration of the macrophage function and granulation tissue synthesis, etc. <p><p>Based on these findings and because obesity is associated with the development of type 2 diabetes, we hypothetize that, impaired balance between pro-apoptotic/anti-apoptotic and pro- oxydant /anti-oxydant genes is involved in impaired WH. Furthermore, we hypothetize that impaired EPCs function leads to the perturbation of the proliferation phase of obesity impaired WH.<p><p>A.2. Wound Healing and Age<p><p>The world population is aging; by 2030, nearly 20% of Americans, (± 72 million people), will be 65 years old and older. In 2010, 17% of the European population was over the age of 65. By 2060, it is projected that the share of those aged 65 and over will rise to 30%, accounting for more then 150 million people. (ec.europa.eu) These aging subjects undergo an increasing number of surgical procedures: in the past two decades, the percentage of surgeries in patients over 65 has doubled to nearly 40%.<p>As a corollary, it is well established knowledge that elderly WH is impaired. However, little is known about the underlying mechanisms of age-related impaired WH.<p><p>As previously mentioned, adult BM-derived EPCs contribute to peripheral tissue repair and regeneration. In light of the abundant literature suggesting that neovascularization is impaired in the elderly, we characterize a novel model of senile cutaneous WH and investigate the role that vasculogenesis plays in the pathogenesis of age related impaired WH.<p>Aged mice colonies have traditionally been the model for aged small mammalian research, however, the ability to use a readily-available transgenic mouse model with features of accelerated aging would aid in the exploration of targeted therapies and a great number of age-related investigations.<p><p>We hypothesize that the Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (HGPS) Zmpste24 deficient (Zmpste24-/-) mouse mimics physiological ageing and can be used as a novel model for the study of senescent WH. We further hypothetized that impaired balance between pro-apoptotic/anti-apoptotic and pro-oxydant /anti-oxydant genes as well as impaired EPCs function are responsible for the impairment of the proliferative phase, leading to overall impaired WH.<p><p>A.3 Aims<p><p>Recently, a great deal of research has been directed at understanding the critical factors inducing poorly healing wounds. However, a lot remains unclear.<p><p>It is now well accepted that new blood vessel formation occurs not only by angiogenesis (blood vessels formation from a preexisting network of capillaries), but also by vasculogenesis (blood vessels formation from BM SCs recruitment) and that EPCs contribute to as much as 25% of new blood vessels formed in healing tissues4. They are mobilized from the BM in response to injury and production of local cytokines, are incorporate into wounds and play an integral role in systemic tissue repair. <p><p>Based on this finding, we hypothesized that co-morbidities related impaired WH may be due, in part, to decreased EPCs number, migration/homing, and/or function resulting in impaired vasculogenesis. Because age and/or obesity have been shown to be one of the most common predictors of altered WH, we decided to focus on these two parameters.<p><p>Following a bedside to bench approach the purpose of this work was to 1) develop coherent and translatable models of co-morbidity digging in the physiologic/pathologic mechanisms underlying altered healing in obese and senile mice; 2) develop targeted therapeutics to improve impaired WH.<p><p>B. Material and Methods<p><p>B.1 Human Model<p><p>Since obesity impairs WH and BM EPCs are important for tissue repair, we hypothesize that obesity- impaired WH is due, in part, to impaired EPCs mobilization, trafficking, and function. Peripheral blood was obtained from non diabetic, obese (BMI > 30, n = 25), and non obese (BMI < 30, n = 17) subjects. Peripheral blood human EPCs were isolated, quantified, and functionally assessed.<p>As for aged impaired WH, EPCs of aged subjects have already been found to have decreased adhesion, migration and proliferative properties as well as being decreased in number in elderly patients undergoing surgery compared to younger patients.<p><p>B.2. Mice Models<p><p>Two models of WH were developed and characterized.<p>In order to isolate the effect of obesity on EPCs and WH, OB non-diabetic female TallyHo/JngJ mouse were selected (Female mice don’t express hyperglycemia and hyperinsulinemia). Female SWR/J non-OB mice were used as control mice. In order to limit variables, TallyHO/JngJ obese mice were selected over other OB mice that exhibit a polygenic type of obesity (Jackson Laboratory Website). By selecting this mouse model, we have excluded in our selection of the ideal model common confounding factors such as hyperglycemia, hyperinsulinemia, immune disorders.<p><p>Zmpste24 is a metalloproteinase involved in the maturation of lamin A (LmnA), an essential component of the nuclear envelope. When Zmpste24 or LmnA are knocked-out, mice exhibit profound nuclear architectural abnormalities and histopathological defects that phenocopy an accelerated aging process. Of crucial importance, the lamin-A dependent nuclear alterations seen in Zmpste24-deficient mice have also been found in human physiological aging. We defined the utilization of the Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (HGPS) Zmpste24 deficient (Zmpste24- /-) mouse as a novel model for the study of senescent WH (controls used were C57BL/6J mice).<p><p>B.3. Wounding Model and Data Collection<p><p>All mice group underwent wounding using a stented wound model developed in our laboratory and previously published. Briefly, paired 6-mm circular, full-thickness wounds extending through the panniculus carnosus were made on the dorsal skin of the mouse. An O-ring, 12-mm splint made of silicone sheeting was then sutured to the skin around the wound. To minimize wound contraction and reliably recapitulated the granulation and re-epithelialization seen in human WH by secondary intention. Time to wound closure was measured using standardized digital photographs taken on days 0, 7, 14, and 21. Wound closure was calculated as a percentage of the original wound.<p><p>For each model, EPCs were harvested, quantified by flow-cytometry and their function tested. Wounds were harvested at various time points and RNA, DNA and protein analysis were conducted. Finally immunohistochemistry to assess epidermal thickness, vascularity and WH were also realized.<p><p>In a second step, after characterization of the models, local (using targeted siRNA gel) and systemic therapies (using AMD3100, a PC mobilizer) were applied on the wounds and compared to controls. WH was monitored. We conducted the previously mentioned analysis (RT-PCR, ELISA and DNA analysis) on the harvested samples.<p><p>All values are expressed as a mean ± standard error of mean (SEM). The number of mice per treatment group was determined using G*Power (G*Power©, Melbourne, Australia) to provide a power greater than 0.80. Student T test was realized to compare two groups among each other.<p><p>C. Results<p><p>C.1. Human EPCs Have Impaired Function<p><p>There was no difference in the number of baseline circulating human EPCs in non-diabetic OB and non-OB<p>subjects, but EPCs from OB subjects had impaired adhesion (p<0.05), migration (p<0.01), and proliferation (p<0.001).<p><p>C.2. Obesity and Wound Healing<p><p>TallyHo/JgnJ OB mice demonstrated significantly impaired healing when compared to SWR/J control mice. They healed at an average of 28 ± 2 days (p<0.05). Post-wounding circulating EPCs were quantified and wounds were analyzed. Circulating EPCs recruitment is impaired in wounded TallyHo/JngJ mice and their wounds shown significantly decreased new blood vessel formation through decreased HIF-1α/SDF-1α signaling (p<0.05). Their wounds are characterized by increased apoptosis, increased DNA damage and impaired pro-/anti-oxydant balance. Immunonistochemistry and histology showed decreased vascular vessels in TallyHo/JngJ wounds and thinner epidermal thickness.<p><p>In the local treatment phase, local p53 silencing consistently improved WH to a nearly normal healing time (wounds healed in 18 ± 2 days, p<0.05). sip53 treatment showed a significant decrease in pro-apoptotic markers (p53, Bax, PUMA p<0.05) and a significant increase in angiogenic markers (VEGF, SDF-1α, HIF-1α) with increased blood vessel formation and decreased DNA damage.<p><p>C.3. Age and Wound Healing<p><p>In these experiments, we show that not only is Zmpste24-/- WH impaired when compared to C57BL/6J mice (Zmpste24-/- mice healed at average 40 days ± 2 days p<0.05) at all time points but that they also showed decreased vascularity and proliferation in the wound bed (p<0.05).<p><p>Histological analysis was performed utilizing hematoxylin and eosin staining to assess epidermal thickness, CD31 immunofluorescence to assess vascular density, p53 and caspase 3 to assess apoptosis, 8’OHdG staining to assess DNA damage and PCNA to assess proliferation. Epidermal thickness was significantly decreased in Zmpste24-/- animals compared to WT as well as vascular density, and proliferation in Zmpste24-/- wound tissue (p<0.05). <p><p>Circulating vasculogenic EPCs recruitment was impaired in Zmpste24-/- mice and their wounds showed significantly decreased new blood vessel formation through decreased HIF-1α/SDF-1α signaling (p<0.05). Zmpste24-/- wounds are characterized by increased apoptosis and an abnormal rise in ROS.<p>In the treatment phase, local p53 silencing consistently improved healing by more then a two fold (18 ± 2 days). VEGF production was significantly increased and pro-apoptotic factors were significantly downregulated in siRNA-treated Zmpste24-/- mice (p<0.05). DNA damage due to ROS production was also shown to be significantly decreased following treatment. Our results suggest a vasculogenic dysfunction in wound closure and showed that the specific knock down of p53 significantly improves WH.<p><p>Because EPCs showed impaired function, lower peripheric blood counts and impaired SDF-1α/HIF-1α signaling, we hypothesized that improving their mobilization by using a progenitor cell mobilizer, AMD3100, known to mobilize SCs from the BM, in a systemic treatment phase will improve WH. Peripheral blood counts were significantly increased and time to wound closure significantly decreased (20 days ± 2, p<0.05). Vasculogenic markers and anti- apoptotic molecules were upregulated compare to non-treated animals.<p><p>D. Conclusions<p><p>Obesity impaired wound closure is a complex problem with many contributory factors. Our results suggest that obesity impairs the BM-derived EPCs response to peripheral injury and this, in turn, impairs wound closure. This impairment is associated with decreased new blood vessel formation and increased DNA damage leading to an increase in the p53 pathway. We also demonstrate that targeted siRNA therapy can partially rescue impaired WH due to obesity. Based on these results we support the encouraging argument that, WH and closure has the potential be improved through specific local and systemic therapies in vivo in our rodent model and that further studies are needed to support this in a clinical environment.<p><p>Impaired WH due to ageing is a complex phenomenon that is partially understood. We demonstrate that the Zmpste24-/- transgenic knockout mouse provides a model for age-related WH investigation. Zmpste24-/- animals heals their wounds with significant delays, showed impaired EPCs mobilization following wounding through an impaired HIF-1α/SDF-1α pathway and increased apoptosis. Furthermore, WH can be improved through specific local siRNA therapy and systemic stem cell mobilization therapies.<p><p>Our results suggest strong similar patterns between obesity and ageing in the way they mediate WH impairments trough (premature) ageing. Our encouraging endeavor to bring WH back to baseline in these diseased models underlines the possibility to reverse the microenvironment alterations and improves EPCs contribution to the WH process. Because EPCs are involved in virtually every tissue repair process happening in the human body, we hope that this work will lead the way for new research in various fields in medicine to improve wound care and quality of life of patients. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’endothélium joue un rôle primordial dans le développement et le maintien des multiples fonctions vasculaires. Il est ainsi largement impliqué dans des situations pathologiques comme les maladies cardio-vasculaires. La description de marqueurs endothéliaux circulants a permis une exploration non invasive de l'endothélium. Notre équipe s’est intéressée principalement aux cellules endothéliales circulantes (CEC), dont le taux reflète la lésion ou l’activation de l’endothélium, et aux progéniteurs endothéliaux circulants (PEC), marqueurs de régénération endothéliale. La découverte en 1997 par Asahara de la présence chez l’adulte de ces PEC, participant à la formation de nouveaux vaisseaux par vasculogenèse, a ouvert de nouvelles perspectives, notamment pour la thérapie cellulaire des pathologies ischémiques. Ce travail a consisté à développer les méthodes d’étude de ces cellules dans plusieurs contextes. Tout d’abord, nous avons exploré l’utilité de ces marqueurs dans la physiopathologie de l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). Puis nous avons analysé le potentiel de mobilisation des progéniteurs endothéliaux à partir de la paroi vasculaire lors d’une ischémie locale chez des volontaires sains dans le cadre du développement d’un produit de thérapie cellulaire autologue. Une partie de ce projet a été de mettre en place et d’optimiser les techniques d’étude de ces marqueurs. Les CEC ont été quantifiées par immunoséparation magnétique (IMS), technique mise au point en 1992 (Dignat-George 1992) et transférée dans notre laboratoire. La quantification des PEC a été réalisée par cytométrie en flux et par culture cellulaire. En culture, deux types de PEC sont décrits : les PEC précoces, dont l’origine est monocytaire et pour lesquels la culture est déjà standardisée, et les « Endothelial Colony Forming Cells » (ECFC), seules cellules présentant des caractéristiques de cellules endothéliales progénitrices et pouvant être proposées comme produit de thérapie cellulaire. Nous avons optimisé la quantification des ECFC en culture en étudiant l’effet de diverses matrices et de la densité d’ensemencement des cellules mononucléées issues du sang total sur l’obtention de ces cellules et leurs propriétés angiogènes. La dysfonction endothéliale a été décrite comme un élément central dans le développement de l’HTAP dont le diagnostic repose sur la mesure de la pression artérielle pulmonaire par cathétérisme cardiaque droit. En l’absence de marqueur biologique non invasif dans cette maladie, nous avons quantifié les CEC et les progéniteurs circulants dans deux études. Une étude réalisée chez des patients adultes a montré une augmentation spécifique des CEC dans l’HTAP et non dans l’hypertension pulmonaire thromboembolique chronique. Ainsi les CEC semblent être le reflet des lésions endothéliales pulmonaires et non de la sévérité clinique des patients. L’autre étude a montré l’intérêt de la quantification des CEC dans la prise en charge thérapeutique des enfants souffrant d’HTAP secondaire à une cardiopathie congénitale, dont les formes irréversibles présentaient des taux élevés de CEC. Nous avons ainsi défini un nouveau marqueur non invasif à utilité diagnostique et pronostique. Les PEC sont des cellules rares dans le sang circulant, difficiles à expandre, et dont les essais de mobilisation médullaire se sont révélés insuffisants. L’hypothèse récente d’une réserve vasculaire des progéniteurs endothéliaux nous a conduits à étudier l’effet d’un processus d’ischémie locale sur la mobilisation de ces cellules chez des volontaires sains. Deux groupes d'âge ont été inclus afin d'évaluer l'impact du vieillissement sur la méthode de mobilisation étudiée. Malgré un effet de cette ischémie sur la dilatation endothéliale cette méthode n’a pas permis de mobiliser significativement les PEC issus de la paroi endothéliale, quel que soit l'âge des sujets. A l’inverse, l’hypoxie a eu un effet délétère sur les capacités angiogènes des ECFC. / The endothelium plays a key role in the development and the homeostasis of vascular functions. It is also well involved in pathological situations like cardiovascular diseases. Thanks to the description of circulating endothelial markers, non invasive study of the endothelium is now possible. Our group was particularly interested in circulating endothelial cells (CECs), the level of which reflects an endothelial activation or lesion, and to circulating endothelial progenitors cells (EPCs), markers of endothelial repair. EPC description by Asahara in 1997 in adult blood, involved in new blood vessel formation by vasculogenesis, offered new perspectives, specially for cell therapy in ischemic diseases. This work consisted in the development of methods to study these markers in different contexts. First, we explored the interest of these markers in the physiopathology of pulmonary arterial hypertension (PAH). Then we evaluated endothelial progenitors mobilization from the vascular wall by a local ischemia process in healthy volunteers, in the perspective of an autologous cell therapy product development. One part of this project was the implementation and optimization of the methods to study CEC and EPC. CEC were quantified by magnetic immunoseparation. This technique was developped in 1992 by F. Dignat-George's group and transferred in our laboratory. EPC were quantified by flow cytometry and cell culture. Two types of EPC are described in culture: the early EPC, which originate from monocyte lineage and which culture is standardized, and the « Endothelial Colony Forming Cells » (ECFC), the only cells presenting endothelial progenitor cell properties and which use as a cell therapy product can be considered. ECFC quantification by culture was optimized by assessment of the impact of diverse matrices and seeding concentrations of mononuclear cells isolated from whole blood, on ECFC commitment and their angiogenic properties. Endothelial dysfunction was described as a central element in the development of PAH, which diagnosis is based on the use of right heart catheterization. Due to the lack of noninvasive marker for this disease, CEC and circulating progenitors were quantified in two studies. One of them realized in adult patients showed a specific increase of CEC in PAH and not in post-embolic PH. CEC would then reflect the presence of specific endothelial lesions and not the clinical state of the patients. The other study demonstrated the interest of CEC quantification in the therapeutic care of children with PAH secondary to congenital heart disease, for whom patients in irreversible state had a higher level of CEC. We then defined a new noninvasive biomarker.that can be used for the diagnosis and prognosis of PAH. EPC are rare events in whole blood, difficult to expand and for which, mobilization protocols revealed insufficient. The recent hypothesis of a vascular reservoir for endothelial progenitor led us to study the effect of a local ischemia procedure on the mobilization of these cells in healthy volunteers. Two age groups were included to assess the impact of aging on this procedure. Despite a significant endothelial dilation with the local ischemia, no EPC were mobilized, whatever the age group. Ischemia even altered ECFC angiogenic properties.

L'encéphalopathie hépatique (HE) est un syndrome neuropsychiatrique complexe, une complication majeure de la maladie du foie. L'œdème cytotoxique est une complication grave de l'encéphalopathie hépatique, connu comme étant le résultat d'un gonflement des astrocytes. Les facteurs pathogéniques dérivés du sang tels que l'ammoniaque (NH4+) et le stress oxydatif (SO) sont connus pour être synergiquement impliqués. Les cellules endothéliales (CE) de la barrière hémato-encéphalique (BHE), régulant le passage vers le cerveau, sont les premières cellules à entrer en contact avec les molécules circulantes. L'effet de l'ammoniaque et du SO sur le transport et le métabolisme des CE n'a jamais été complètement exploré. Par conséquent, notre objectif était d'évaluer les effets de NH4+ et des espèces réactives de l'oxygène (ROS) sur les CE de la BHE en utilisant des systèmes de modèles in vivo et in vitro. Il a été démontré que le cotransporteur Na-K-2Cl (NKCC1) était impliqué dans la pathogenèse de l'œdème cérébral dans de nombreuses affections neurologiques. Le NKCC1 peut transporter NH4+ vers le cerveau et est régulé par les ROS. Par conséquent, l'expression de NKCC1 a été évaluée dans des CE primaires soumises à différentes concentrations de ROS et de NH4+ ainsi que dans des microvaisseaux cérébraux (MVC) isolés chez le rat BDL (bile-duct ligated), un modèle d'EH induit par une maladie hépatique chronique. Aucune régulation à la hausse de NKCC n'était présente chez les CE traitées ou les MVC. La glutamine synthétase (GS) est une enzyme qui joue un rôle compensatoire important dans la détoxification du NH4+ au cours de la maladie du foie. La GS est exprimée dans le muscle et le cerveau (astrocytes), mais n'a jamais été totalement explorée dans les CE de la BHE. L'expression et l'activité de la protéine GS ont été trouvées dans les CE de la BHE in vitro (CE primaires) et in vivo (MVC isolés de rats naïfs). Dans le modèle BDL, l'expression de GS dans les MVC n'était pas significativement différente des témoins (SHAM). Par ailleurs, nous avons traité des CE avec du milieu conditionné à partir de plasma de rats BDL et avons trouvé une diminution de l’expression de la protéine GS et de l'activité par rapport aux SHAM. De plus, les CE traitées avec NH4+ augmentaient en activité de GS tandis que les traitements avec SO avec et sans NH4+ diminuent l'activité de GS. Globalement, ces résultats démontrent pour la première fois que la GS est présente dans les CE, à la fois in vivo et in vitro. La GS est régulée à la baisse dans les CE traitées avec du plasma de BDL (mais pas dans les MVC de BDL). Il est intéressant de noter que le NH4+ stimule l'activité de GS dans les CE, alors que le SO inhibe l'activité de GS, ce qui justifie possiblement les résultats de nos études avec les milieux conditionnés. Nous supposons que le SO empêche la régulation à la hausse de GS de la BHE, en diminuant la capacité des CE à détoxifier l'ammoniaque et à limiter l'entrée d'ammoniaque dans le cerveau. Nous envisageons qu'une régulation à la hausse de GS dans les CE de la BHE pourrait devenir une nouvelle cible thérapeutique de l'EH. / Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome, which is a major complication of liver disease. Cytotoxic edema is a serious complication of HE, known to be the result of astrocyte swelling. Blood derived pathogenic factors such as ammonia (NH4+) and oxidative stress’ (OS) are known to be synergistically implicated. Endothelial cells (EC) of the blood brain barrier (BBB) are the first cells regulating passage into the brain and to contact blood-derived molecules. The effect of ammonia and oxidative stress on EC transport and metabolism has never been thoroughly explored. Therefore, our aim was to evaluate the effects of NH4+ and reactive oxygen species (ROS) on EC of the BBB using in vivo and in vitro models systems. The Na–K–2Cl cotransporter (NKCC1) has been demonstrated to be involved in the pathogenesis of brain edema in numerous neurological conditions. NKCC1 can transport NH4+ into the brain and is regulated by ROS. Therefore, the expression of NKCC1 was evaluated in primary EC submitted to different concentrations of ROS and NH4+ as well as in cerebral microvessels (CMV) isolated from the bile-duct ligated (BDL) rat, a model HE induced by chronic liver disease. No upregulation of NKCC1 was present in either the treated EC or CMV. Glutamine synthetase (GS) is an enzyme with an important compensatory role in NH4+ detoxification during liver disease. GS is expressed in muscle and brain (astrocytes) but has never been thoroughly explored in ECs of the BBB. GS protein expression and activity was found in EC of the BBB in vitro (primary EC) and in vivo (CMV isolated from naive rats). In the BDL model, GS expression in CMVs was not significantly different from SHAM-operated controls. In addition, we treated ECs with conditioned medium from plasma of BDL rats and found a decrease in GS protein and activity when compared to SHAM. Furthermore, EC treated with NH4+ increased GS activity while treatments with ROS with and without NH4+ decreased GS activity. Overall these results demonstrate for the first time that GS is present in EC both in vivo and in vitro. GS is downregulated in EC treated with BDL plasma (but not in BDL CMV). Interestingly, NH4+ stimulates GS activity in ECs, while ROS inhibits GS activity, possibly justifying the results found from the conditioned medium studies. We speculate that ROS prevents the upregulation of GS in the BBB, decreasing the capacity of the EC to detoxify ammonia and to limit ammonia entry into the brain. We foresee that upregulating GS in ECs of the BBB could become a new therapeutic target for HE.

Aujourd’hui, la transplantation est le seul traitement efficace proposé aux patients souffrant d’une insuffisance hépatique fulminante. La nécessité de disposer d’un système de suppléance hépatique transitoire apparaît donc indispensable. C’est dans cet axe que se sont développés les systèmes qualifiés de foies bio artificiels (BAL). Leur principale caractéristique est d’incorporer un bioréacteur hébergeant des cellules pouvant restaurer l’activité hépatiques dans son ensemble. A l’heure actuelle, les hépatocytes primaire humains (HEP) issus de foies de donneurs non transplantables sont considérées comme le meilleur choix. Cependant, leur utilisation reste limitée par leur faible disponibilité et la difficulté à les maintenir différenciés en culture in vitro. Pour remédier à ce dernier point, l’approche la plus prometteuse semble être une co-culture des hépatocytes avec les cellules non parenchymateuses afin de recréer un environnement proche des sinusoïdes hépatiques. Ce travail de thèse repose sur la mise en place d’une nouvelle approche de co-culture tridimensionnelle sous la forme de sphéroïdes, d’HEP primaires avec les principaux types de cellules non-parenchymateuses (les cellules de Kupffer, les cellules endothéliales et les cellules étoilées) selon des proportions spécifiques. Puis de leurs encapsulations dans des billes d’alginate et leurs cultures au sein d’un bioréacteur à lit fluidisé. Ce modèle s’est révélé pertinent et approprié à maintenir les fonctions hépatiques dans le temps. Bien que beaucoup d’optimisation reste à définir, ce travail exploratoire témoigne de l’intérêt de cette approche intéressante pour le progrès des systèmes BAL. / Liver shortage makes transplantation inapplicable to all acute liver failure patients. Bioartificial Iiver (BAL) devices represent a temporary solution for these patients which are thereby bridged tilt Iiver transplantation or regeneration BAL treatment offers blood purification and substitution of metabolic functions through the activity of hepatocytes (HEPs), which are integrated in the device within acclimating containers, so-called bioreactors. Primary human hepatocytes are the ideal cell type to use in BAL, but they are scarcely available and difficult to maintain in vitro. Co-culture of HEPs with supporting cells has been proposed as the most promising strategy for preserving HEP behaviors in in vitro conditions. In fact, assisting cells types hold their ability to influence functional responses of the HEPs by providing them with cues of the native organ.This PhD work proposed a novel approach of co-culture for the functional sustain and preservation of the HEPs in the environment of the fluidized bed bioreactor (designed in our Iaboratory). Definition of this model took inspiration from the cellular organization in the organ; therefore, it employed three major sinusoidal non-parenchymal cell populations (liver sinusoidal, Kupffer, and hepatic stellate cells) which, together with HEPs, were cultured with three-dimensional arrangement (spheroids) and according to specific proportions. The resulting model was characterized in terms of functional benefits for the HEPs, and then applied in the microenvironment of alginate beads, which provide cells with immunological and mechanical protection in the fluidized bed bioreactor. This spheroidal multi-cultured model revealed its potentiality in sustaining in vitro HEP behaviors over time. Although much remains to be refined, this model may represent an interesting approach for the progress of BAL

Ces dernières années, alors qu’aucun agent neuroprotecteur n’a été efficace en clinique pour parer les dommages de l’ischémie cérébrale, le concept d’unité neurovasculaire (UNV) est apparu comme un nouveau paradigme pour l’investigation et le traitement des accidents vasculaires cérébraux ischémiques. La rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE) localisée au niveau des capillaires cérébraux, et ses corollaires l’œdème vasogénique et l’hémorragie intracérébrale, constituent des événements critiques de la maladie, et restreignent considérablement l’éligibilité des patients à la thrombolyse au rtPA, seul traitement de phase aiguë disponible actuellement en clinique. La complexité des intercommunications qui s’exercent au sein de l’UNV rend difficile l’appréhension de la dysfonction microvasculaire in vivo, soulignant l’importance des études in vitro pour compléter les connaissances dans ce domaine. C’est par cette approche combinée que les travaux effectués au cours de ce doctorat démontrent l’impact de la nécrose cérébrale sur la cinétique de la perte d’intégrité de la BHE au décours de la reperfusion. Cependant, même si l’endothélium microvasculaire demeure fonctionnel après un épisode ischémique dans un contexte non lésionel, il devient vulnérable à certaines molécules comme le rtPA dans une situation de thrombolyse. Ces résultats illustrent le rôle déterminant de l’environnement moléculaire périvasculaire sur la dysfonction de la BHE lors de l’ischémie cérébrale, et orientent les nouvelles stratégies thérapeutiques vers des approches ciblant la protection de l’ensemble de l’UNV. / In the recent years, while no neuroprotective agent was clinically effective in reducing brain ischemic damage, the neurovascular unit (NVU) concept emerged as a new paradigm for stroke investigation and treatment. The breakdown of the blood-brain barrier (BBB), localized in brain capillaries, with ensuing vasogenic edema and intracerebral hemorrhage, appears as a critical event of this disease, and severely restricts the eligibility of patients for rtPA thrombolysis, the only acute-phase treatment currently available. The complex intercommunications occurring within the NVU makes the microvascular dysfunction difficult to study in vivo, highlighting the importance of in vitro approaches to complete the knowledge in this field. In this context, the work done in this PhD demonstrates that brain tissue necrosis influences the kinetics of the loss of BBB integrity during reperfusion. However, even when the BBB remains functional in a non-lesional ischemic context, it becomes vulnerable to certain molecules such as rtPA in a thrombolysis situation. These results illustrate the key role of molecular perivascular environment on the BBB dysfunction during cerebral ischemia, and orientate new therapeutic strategies towards the protection of the entire NVU.

L’Hypertensions Artérielle Pulmonaire (HTAP) résulte de l’obstruction progressive des artères pulmonaires de petits calibres due à un remodelage de la paroi vasculaire ainsi qu’à une vasoconstriction. Cette thèse repose sur 3 piliers de la physiopathologie de l’HTAP : l’inflammation, l’épigénétique et la susceptibilité génétique de la maladie.Le premier projet démontre que les cellules dendritiques des patients atteints d’HTAP sont moins sensibles à l’action immunomodulatrice des glucocorticoïdes et orientent la réponse des lymphocytes T vers une réponse Th17, souvent impliquée dans les maladies autoimmunes.Le second projet a pour but de comparer le profil de méthylation des cellules endothéliales d’artères pulmonaires (CE-AP) de patients atteints d’HTAP comparé aux CE-AP de patients contrôles. Nous avons mis en évidence des clusters de gènes ayant un profil de méthylation différents entre les CE-HTAP comparé aux CE-CTR. Un gène différentiellement méthylé s’est dégagé durant l’étude bioinformatique : ABCA1 (ATP binding cassette 1). L’altération de son expression prédite par l’étude bioinformatique a été validée chez l’homme et le modèle de rat monocrotaline.Enfin, le dernier projet décrit la caractérisation d’un nouveau modèle animal de susceptibilité génétique à l’HTAP liée à des mutations dans le gène Bmpr2 chez le rat, au niveau hémodynamique, histologique, vasculaire, moléculaire et électrophysiologique. Nous avons démontré que ce modèle reproduit des schémas physiopathologiques pertinents vis-à-vis de la maladie humaine, ces résultats font de ce modèle un nouveau outil d’étude de la physiopathologie de l’HTAP. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by a progressive pulmonary arterial obstruction due to pulmonary vascular remodeling of distal arterioles as well as abnormal vasoconstriction. This project allowed to study three biological process clearly establish to be implicated in physiopathology of PAH.The first project demonstrated a dendritic cells dysfunction and a Th17 immune polarization of idiopathic PAH patients.The objective of the second project was to study the epigenetic variations in pulmonary endothelial cells (PEC) through a specific pattern of DNA methylation. We identified clusters of probes that discriminates controls and PAH patients. During bioinformatics study, ABCA1 (ATP binding cassette 1) gene was emphasized. Alteration of ABCA1 expression predicted during bioinformatics study has been validated in human and in monocrotaline rat model.The last project described the validation of a new PAH model by a hemodynamic, histological, vascular, molecular and electrophysiological characterization of heterozygous rat mutated to Bmpr2 gene. Whole functional and molecular dysregulation define this animal model like a useful tool in the study of BMPRII signaling alteration in PAH physiopathology.

Malgré l’efficacité thérapeutique avérée des agents anti-angiogéniques et des agents anti-vasculaires (VDA), le mécanisme d’action précis des stratégies ciblant les vaisseaux sanguins tumoraux, les raisons de leur efficacité ainsi que les mécanismes de résistance à ces drogues sont encore mal compris. Il est rapidement apparu essentiel d’identifier des biomarqueurs capables de refléter l’angiogénèse tumorale ou les effets sur la vascularisation tumorale de ces traitements. Compte tenu de leur importance dans des pathologies vasculaires, les cellules endothéliales matures circulantes (CEC) et les progéniteurs endothéliaux circulants (CEP) ont d’emblée été pressenties comme des candidats intéressants pour être des biomarqueurs de réponse aux stratégies ciblant la vascularisation tumorale. Nous avons exploré l’intérêt de ces cellules en tant que biomarqueurs de l’angiogénèse dans des tumeurs pédiatriques, et leur rôle en tant que biomarqueurs de traitement par des agents anti-angiogéniques chez des sujets adultes atteints de cancer. Ces travaux ont mis en lumière l’intérêt des CEP et ont été à la source d’un travail plus « mécanistique » où nous avons étudié dans différents modèles murins le rôle des CEC et CEP dans le mécanisme d’action des agents anti-vasculaires et plus particulièrement le rôle fonctionnel des CEP dans la résistance à ces molécules. Par des stratégies d’association d’agents anti-angiogéniques aux VDA destinées à inhiber les CEP, nous montrons l’augmentation de l’activité anti-tumorale des VDA et offrons un rationnel mécanistique pour optimiser les schémas thérapeutiques actuels des traitements anti-vasculaires. Nos données apportent des arguments en faveur du rôle potentiel de ces cellules en tant que biomarqueurs de l’angiogénèse, des traitements anti-angiogéniques et de la résistance aux traitements anti-vasculaires. / Despite their therapeutic impact and clinical benefit, the mecanisms of action of anti-angiogenic agents and vascular disrupting agents (VDA), the reasons for their efficacy as well as the mechanisms underlying resistance to these drugs are not fully understood. Thus, identifying surrogate biomarkers of tumor angiogenesis and of the effects of these new therapeutic agents targeting tumor blood vessels has become a crucial objective. Because of their importance in vascular diseases, mature circulating endothelial cells (CEC) and circulating endothelial progenitor cells (CEP) were suggested to be potential candidate biomarkers of disease response and relapse to vascular targeting strategies. We investigated the role of these cells as biomarkers of tumor angiogenesis in pediatric solid tumors, as well as biomarkers of response to anti-angiogenic therapies in adult cancer patients. By revealing the particularly important role of CEP, these initial studies led to a more “mechanistic” study in which the cellular and molecular effects of a VDA were evaluated with regard to CEC and CEP in different mouse models; in particular, the “catalytic” role of CEP was explored as a mechanism of resistance to VDA. By combining anti-angiogenic agents aimed to inhibit CEP mobilized by the VDA, we demonstrate an increase in the anti-tumor activity of the VDA and offer a mechanistic rational to optimize VDA-based therapeutic strategies. Our data support the role of CEC and CEP as biomarkers of angiogenesis, of anti-angiogenic strategies and of resistance to vascular-disrupting therapies.

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