Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le débit sanguin cérébral est régulé par une multitude de facteurs tels que le métabolisme cérébral, le système nerveux sympathique, l'hémodynamie centrale et les gaz artériels. Bien que ces mécanismes soient les mêmes au repos et à l'exercice, l'ampleur et le degré de la contribution individuelle de ces mécanismes sont différents entre le repos et l'exercice. De plus, le type, la durée et l'intensité de l'exercice peuvent entraîner des contributions différentes de chaque mécanisme. En outre, il a été démontré que le sexe biologique a un effet sur le débit sanguin cérébral en raison des changements hormonaux pendant le cycle menstruel féminin. Ces dernières années, l'inclusion des femmes comme participants de recherche dans les études a augmenté. Néanmoins, de nombreux aspects concernant l'impact du sexe ne sont pas bien connus et le domaine de la physiologie vasculaire cérébrale n'est pas différent. Par exemple, l'impact du sexe sur le débit sanguin cérébral au repos ainsi qu'en réponse à différents facteurs de stress physiologiques est bien documenté. Dans le cas de l'exercice, la réponse vasculaire cérébrale entre les hommes et les femmes s'est avérée comparable pendant un exercice aérobie mené jusqu'à l'épuisement. Cependant, ces résultats ne peuvent pas être généralisés à d'autres populations telles que les athlètes puisqu'il a été constaté qu'une meilleure aptitude cardiorespiratoire a un impact sur les déterminants du débit sanguin cérébral. Ainsi, cette étude visait à examiner l'impact du sexe sur la réponse vasculaire cérébrale pendant un exercice aérobie jusqu'à épuisement volontaire. Pendant l'exercice aérobie jusqu'à épuisement volontaire, les changements de la vitesse du sang dans l'artère cérébrale moyenne étaient comparables entre les hommes et les femmes. En revanche, certains des déterminants du débit sanguin cérébral, tels que la pression partielle en dioxyde de carbone en fin d'expiration et le débit cardiaque, étaient plus élevés chez les hommes que chez les femmes tout au long de l'exercice. Ces résultats suggèrent que les hommes et les femmes régulent différemment le débit sanguin cérébral. Par exemple, la réponse vasculaire cérébrale comparable pourrait être attribuée à une plus grande sensibilité des vaisseaux du cerveau au dioxyde de carbone chez les femmes, tandis que la contribution du débit cardiaque pourrait avoir eu un impact sur cette réponse dans la dernière phase de l'exercice / Cerebral blood flow is regulated by a multitude of factors such as cerebral metabolism, the sympathetic nervous system, central hemodynamics, and arterial gases. While these mechanisms are the same during rest and exercise, the magnitude, and the degree of the individual contribution of these mechanisms is different between rest and exercise. Further, the type, duration, and intensity of the exercise could yield different contributions from each mechanism. In addition, biological sex has been shown to have an effect of cerebral blood flow due to the hormonal changes during the female menstrual cycle. In recent years, female inclusion in studies has increased. Nevertheless, many aspects with regard to the impact of sex is not well known and the field of cerebrovascular physiology is not different. For example, the impact of sex on cerebral blood flow at rest as well in response to different physiological stressors is well documented. In the case of exercise, the cerebrovascular response between males and females was found to be comparable during aerobic exercise until exhaustion. However, those results cannot be generalized to other population, such as athletes, since it was found that a higher cardiorespiratory fitness has an impact on the determinants of cerebral blood flow. Thus, this study aimed to investigate the impact of sex on the cerebrovascular response during aerobic exercise until volitional exhaustion. During aerobic exercise until volitional exhaustion, blood velocity in the middle cerebral artery was comparable between males and females. On the other hand, some of the determinants of cerebral blood flow, such as end-tidal partial pressure of carbon dioxide and cardiac output were found to be higher in males compared to females throughout the exercise. These results suggest that males and females regulate cerebral blood flow differently. For instance, the comparable cerebrovascular response could be attributed to the higher cerebrovascular sensitivity to carbon dioxide in females while contributions from cardiac output could have impacted this response in the later phases of exercise.

Cette thèse comprend deux études de Tomographie par Émission de Positrons qui ont respectivement été effectuées auprès de sujets sains et de patients ayant subi un accident vasculaire-cérébral (AVC). L'objectif principal de ces expériences était de comparer les circuits cérébraux impliqués dans l'imagination et l'exécution physique de mouvements du membre inférieur à différents stades de l'apprentissage d'une séquence motrice. Tel qu'attendu, les données de la première étude auprès de sujets sains démontrent qu'avec la pratique physique, le patron de changements dynamiques de flot sanguin observé lors de l'exécution d'une séquence explicite de mouvements du pied est très semblable lors de l'évocation mentale de cette même séquence. Cependant, les résultats de la seconde expérience démontrent que les patrons de changements de flot sanguin associés à la pratique physique sont différents chez les patients porteurs d'une lésion striato-capsulaire que ceux obtenus pour les contrôles. Ainsi, nos données suggèrent qu'un dommage striato-capsulaire nuit à l'apprentissage d'une séquence motrice explicite. De plus, il semble que le réseau cérébello-cortical normalement impliqué dans ce genre d'acquisition motrice ne compense pas pour ce type de lésion

L'entraînement par intervalles à haute intensité (HIIT) est très populaire chez les athlètes, mais il existe peu d'informations sur les effets de ce type d'entraînement sur la fonction vasculaire cérébrale. Notre équipe a déjà rapporté une diminution de l'autorégulation cérébrale dynamique (ACd) après six semaines d'entraînement HIIT effectué jusqu'à épuisement chez des athlètes masculins entraînés en endurance. Dans cette étude précédente, l'ACd a été caractérisée à l'aide d'une fonction de transfert sur des oscillations forcées de pression artérielle (PA) et de vélocité du sang dans l'artère cérébrale moyenne (vACM) induite par 5 minutes de squat répétés (SR) effectués à 0,05 Hz et 0,10 Hz. Cette analyse ne prend pas en considération la direction du changement de PA, mais des preuves suggèrent que le système vasculaire cérébral est plus efficace pour atténuer les changements de débit sanguin cérébral lorsque la pression artérielle moyenne (PAM) augmente de manière transitoire par rapport au changement de débit sanguin cérébral lorsque la PAM diminue de manière transitoire. L'objectif de ce travail de maîtrise était d'étudier l'effet de six semaines de HIIT sur la sensibilité directionnelle de la relation pression artérielle - débit sanguin cérébral à l'aide de SR effectués à des fréquences de 0,05 Hz et 0,10 Hz. Nous avons mesuré les changements absolus de PAM et de vACM ajustés en fonction du temps associés à ces changements avant et après les six semaines du protocole HIIT. Les résultats de ce travail suggèrent que six semaines de HIIT ont le potentiel d'améliorer la sensibilité directionnelle de la relation pression artérielle - débit sanguin cérébral chez des athlètes masculins entraînés en endurance. / High-intensity interval training (HIIT) is very popular for athletes, but there is limited information on its effect on the cerebrovascular function. Our team has previously reported a decrease in dynamic cerebral autoregulation (dCA) after 6 weeks of HIIT performed to exhaustion in endurance-trained male athletes. In this previous study, dCA has been characterized using a transfer function analysis on forced oscillations of blood pressure (BP) and middle cerebral artery blood velocity (MCAv) induced by 5 minutes of repeated squat-stands (RSS) performed at 0.05 Hz and 0.10 Hz. This analysis did not consider the direction of BP change, but evidence suggests the cerebral vasculature is more effective in attenuating changes in cerebral blood flow when mean arterial pressure (MAP) transiently increases compared to the change in cerebral blood flow when MAP transiently decreases. The objective of this work was to investigate the effect of six weeks of HIIT to exhaustion on the directional sensitivity of the cerebral pressure-flow relationship using the RSS model performed at 0.05 Hz and 0.10 Hz. We measured the absolute time-adjusted changes in MAP and MCAv associated with these changes before and after the 6-week HIIT protocol. The results of this work suggest that six weeks of HIIT have the potential to improve the directional sensitivity of the cerebral pressure-flow relationship in endurance-trained male athletes.

L’imagerie IRM de perfusion par Arterial Spin Labeling (ASL) ou marquage des spin artériels a pour principal avantage d’être une méthode d’imagerie non invasive (non irradiante et sans injection de produit de contraste exogène), particulièrement adaptée à l'imagerie cérébrale pédiatrique. Sa facilité de mise en œuvre explique l’engouement pour cette séquence et de nombreuses applications cliniques émergentes. Cette technique initialement développée chez l’adulte nécessite une adaptation à la population pédiatrique, aussi bien des paramètres d’acquisition et de quantification que des algorithmes de traitement d’images. La perfusion cérébrale globale et régionale évolue physiologiquement, parallèlement à l’âge et au développement neurocognitif. Il existe plusieurs méthodes d’étude de la perfusion cérébrale pédiatrique. Dans ce contexte, deux revues de littérature ont été réalisées et publiées : l’une portant sur les différentes techniques d’imagerie de la perfusion cérébrale chez les nouveau-nés, l’autre se focalisant sur la technique d’ASL en pédiatrie et ses applications cliniques. Puis la chaîne de traitement des images morphologiques et de perfusion ASL, développée chez l’adulte au sein de notre unité, a été adaptée aux enfants puis aux nouveau-nés. Ces deux populations ont effectivement des problématiques différentes, en particulier le rapport signal sur bruit de l’ASL est très bon chez les enfants, mais nettement moins bon chez les nouveau-nés, et les images morphologiques ont un contraste différent en raison d’une myélinisation incomplète à la naissance. Grace à l’adaptation de la chaîne de traitement, des travaux de recherche clinique ont pu être finalisés (2 publiés, 1 soumis) illustrant l’intérêt de l’étude de la perfusion cérébrale dans 3 situations : l’étude de l’évolution de la perfusion cérébrale normale chez l’enfant entre 6 mois et 15 ans ; l’étude de la perfusion cérébrale chez les enfants souffrant d’une première crise de migraine avec aura ; et enfin l’étude de l’évolution de la perfusion cérébrale entre le 3ieme et le 10ieme jour de vie chez les enfants souffrant d’asphyxie périnatale et traités par hypothermie. Plusieurs projets restent en cours sur le sujet, avec d’autres challenges de traitement et d’analyse d’image (enfants de neurochirurgie avec modifications morphologiques du cerveau, ou enfants prématurés par exemple), dans la continuité ce qui a été fait au cours de cette thèse. / Physiological changes in overall and regional cerebral perfusion are related to age and neurocognitive development. Brain perfusion in the pediatric population can be assessed using a number of imaging techniques. Two literature reviews were undertaken and published on this topic: one based on brain perfusion imaging techniques in neonates, and the other based on the ASL technique in the pediatric population and its clinical applications. The Arterial Spin Labeling (ASL) MRI perfusion sequence is one of the most suitable imaging techniques for children given that the procedure is non-irradiating and non-invasive (without exogenous contrast agent injection). There are many emerging cerebral perfusion imaging applications for children due to the highly convenient implementation of the ASL sequence, which can be easily incorporated into standard brain MRI protocols following acquisition of morphological images. Certain technical adjustments to the imaging parameters are required to account for the fundamental differences between the pediatric and adult populations. Measuring cerebral blood flow (CBF) in neonates and children using ASL therefore requires a number of adaptations to acquisition and related parameters.The processing of ASL data also requires specific adaptations, in particular regarding the automated segmentation of brain tissues, and the parameters used for CBF quantification models. The processing pipeline for both anatomical and perfusion images that had been previously developed by our team for adult data was adapted firstly for children and secondly for neonates. These two populations notably have specific age-related concerns; in particular the signal-to-noise ratio of ASL is very good in children, but much less so in neonates, and the morphological images have inverted contrast due to incomplete myelination at birth. Following adaptation of the processing pipeline, several studies were completed (2 original articles published and 1 under review), showing the clinical benefits of studying cerebral perfusion in three situations: first physiological changes in cerebral perfusion in children between 6 months and 15 years; secondly changes in cerebral perfusion in children with a first attack of migraine with aura; and lastly changes in brain perfusion between day of life 3 and day of life 10 in asphyxiated neonates. Following adaptation of the processing pipeline, several studies were completed (2 original articles published and 1 under review), showing the clinical benefits of studying cerebral perfusion in three situations: first physiological changes in cerebral perfusion in children between 6 months and 15 years; secondly changes in cerebral perfusion in children with a first attack of migraine with aura; and lastly changes in brain perfusion between day of life 3 and day of life 10 in asphyxiated neonates. Several studies are still in progress, and these present new image processing challenges, involving, for example, children with neurosurgical conditions and morphological changes in the brain, or premature babies, in line with the work undertaken for this thesis.

Dans les neurones et les cellules vasculaires cérébrales, les dérivés réactifs de l’oxygène jouent un double rôle puisqu’ils peuvent avoir à la fois des effets bénéfiques, à faibles concentrations, et des effets délétères, à des concentrations élevées. Chez la souris, la circulation cérébrale se distingue des autres lits vasculaires puisque le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est le principal médiateur endothélial relaxant endogène. L’objectif de notre première étude a été de caractériser l’implication physiologique du H2O2 dérivé de la eNOS dans la fonction endothéliale cérébrale de la souris. Nous avons voulu identifier les mécanismes impliqués dans la dilatation induite par l’augmentation de débit intra-luminal (flow-mediated dilation, FMD). La FMD est la réponse à un stimulus physiologique endothélial la plus représentative de la situation in vivo. Nous avons démontré que le H2O2, et non le monoxyde d’azote (NO), dérivant de l’activation de la eNOS cérébrale, est le principal médiateur de la FMD. Cependant, nous connaissons très peu de données sur l’évolution de la voie du H2O2 au cours du vieillissement qu’il soit associé ou non aux facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires. Au cours du vieillissement, au niveau périphérique, les facteurs endothéliaux constricteurs ou dilatateurs évoluent en fonction de l’augmentation de stress oxydant. La présence de facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires, telle que l’hypercholestérolémie, pourrait accentuer l’augmentation du stress oxydant et ainsi accélérer la dysfonction endothéliale. Au niveau cérébral, très peu de données sont disponibles. Dans le cadre de notre deuxième étude, nous avons émis l’hypothèse qu’un débalancement des facteurs endothéliaux pourrait être à l’origine (1) de la dysfonction endothéliale cérébrale observée au cours du vieillissement et (2) de la dysfonction endothéliale précoce qui apparaît en présence d’athérosclérose. Nos résultats ont montré que l’augmentation de stress oxydant associée au vieillissement conduit à une libération endogène accrue de TXA2 qui diminue la voie du H2O2 au niveau cérébral et, par conséquent, réduit la dilatation dépendante de l’endothélium. De plus, la présence d’athérosclérose accélère l’apparition de la dysfonction endothéliale cérébrale. Le rôle clé joué par le stress oxydant a été confirmé par un traitement préventif avec l’antioxydant catéchine qui a permis de renverser tous les effets délétères de l’athérosclérose sur les fonctions endothéliales cérébrales. Finalement, la dysfonction endothéliale cérébrale précoce, associée avec l’athérosclérose, pourrait non seulement augmenter l’incidence de développer des accidents vasculaires cérébraux (AVC) mais aussi induire une diminution du débit sanguin cérébral et, ultimement, affecter les fonctions neuronales. Dans le cadre de notre troisième étude, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation de stress oxydant est associée avec une diminution du débit sanguin cérébral et un déclin subséquent des fonctions cognitives. Nous avons utilisé des souris athérosclérotiques âgées de 3 mois que nous avons soumises, ou pas, à un traitement chronique à la catéchine. Nos travaux montrent qu’un traitement préventif avec la catéchine peut prévenir les effets néfastes de l’athérosclérose sur la FMD, le débit sanguin et le déclin des fonctions cognitives qui est normalement associé au vieillissement. Nos résultats ont permis de distinguer l’effet du vieillissement des effets de l’athérosclérose sur les fonctions vasculaires cérébrales. Le traitement préventif avec la catéchine a eu des effets bénéfiques marqués sur la fonction endothéliale cérébrale, le débit sanguin cérébral et les fonctions cognitives, démontrant le rôle clé de l’environnement redox dans la régulation des fonctions cérébrales. / Reactive oxygen species can have different roles in neurons and cerebral vascular cells as low concentrations are beneficial while unlikable effects are observed at higher concentrations. Mice cerebral circulation is different from other vascular beds as hydrogen peroxide (H2O2) is a major endogenous endothelium-derived relaxing factor. The objective of our first study was to characterize the physiological implication of H2O2 derived from eNOS activation in mice cerebral arteries. We tried to identify the mechanisms implicated in flow-mediated dilation (FMD), the most physiological reactive endothelial function. Our study suggested that H2O2, but not nitric oxide, derived from cerebral eNOS activity was the main factor implicated in the regulation of FMD. However, the evolution of this dilatory pathway through ageing associated or not with risk factors for cardiovascular diseases is poorly understood. Ageing is associated with increase oxidative stress and endothelial dysfunction, the later characterized by an imbalance in the release of endothelial constricting and relaxing factors. Risk factors for cardiovascular diseases, such as hypercholesterolemia, can increase oxidative stress and could hasten endothelial dysfunction. However, the evolution of the endothelial factors through ageing, particularly H2O2 dilatory pathway, in the cerebral circulation is still not well described. In our second study, we hypothesise that alterations in endothelial factors might be responsible for (1) cerebral endothelial dysfunction observed during ageing and (2) the accelerated endothelial dysfunction associated with atherosclerosis. Our results suggested that increased in oxidative stress associated with ageing leads to the release of endogenous TXA2, which in turn, reduces eNOS activity and, consequently, reduces endothelial-dependent dilation. Furthermore, we found that oxidative stress increase associated with atherosclerosis hastens cerebral endothelial dysfunction in mice. The implication of oxidative stress was confirmed by the beneficial effect of the antioxidant catechin on atherosclerosis associated cerebral endothelial function. Finally, premature cerebral endothelial dysfunction observed during atherosclerosis could not only be associated with increase stroke incidence but also associated with a reduction in cerebral blood flow and, ultimately, a decrease in cognitive function. For our third study, we hypothesise that oxidative stress increase during atherosclerosis is associated with reduced cerebral blood flow and an accelerated cognitive function decline normally associated with ageing. We treated 3 month-old atherosclerotic mice with the antioxidant catechin and used untreated mice as controls. Our results suggested that catechin treatment can prevent the decrease in FMD, the decrease in cerebral blood flow and cognitive function decline observed during atherosclerosis. Taken together, our study allows to distinguish the effect of ageing and atherosclerosis on cerebrovascular function. Catechin treatment had beneficial effects on endothelial dilation, cerebral blood flow and cognitive function suggesting that the redox environment is a key player in the regulation of cerebral function.

Le Système Rénine Angiotensine tient une place prépondérante au sein de la circulation cérébrale. Les Antagonistes des Récepteurs AT1 à l'Angiotensine II (ARAII) ont prouvé leur efficacité dans la prévention de l'Accident Vasculaire Cérébral (AVC), indépendamment de leur effet anti-hypertenseur. Plusieurs mécanismes pourraient être impliqués dans cette cérébroprotection. D'une part, en bloquant les récepteurs AT1, les ARAII favorisent la stimulation des récepteurs AT2 à l'angiotensine II. Le caractère bénéfique lié à la stimulation des récepteurs AT2 s'oppose au caractère délétère lié à la stimulation des récepteurs AT1. Nous avons montré que cet équilibre AT1 - AT2 est modifié au niveau cérébrovasculaire suite à un régime hypersodé. En effet, la vasodilatation des artérioles cérébrales médiée par les récepteurs AT2 est abolie, ce qui pourrait constituer un élément délétère lors de la survenue d'un évènement ischémique. D'autre part, certains ARAII présentent une affinité pour les récepteurs PPAR-gamma. Cette activité, démontrée comme protectrice à différents niveaux vasculaires, pourrait également être bénéfique pour la circulation cérébrale. Nous avons en particulier montré que l'activation PPAR-gamma améliore les effets des ARAII au niveau de la circulation cérébrale (diamètre artériolaire, réactivité à l'angiotensine II). Les mécanismes en jeu semblent impliquer des modifications de la fonction des récepteurs AT1-AT2, indépendamment de leur expression. La stimulation des récepteurs AT2 et l'activation PPAR-gamma constituent donc deux propriétés particulières des ARAII. Ces propriétés pourraient participer au caractère cérébroprotecteur des ARAII, au-delà du seul blocage des récepteurs AT1. Le développement de molécules duales regroupant les activités antagoniste AT1 - agoniste PPAR-gamma pourrait constituer un avenir thérapeutique intéressant dans le traitement de l'hypertension en apportant une protection cérébrovasculaire supérieure aux traitements actuels / The Renin Angiotensin System plays a major role in cerebral circulation. AT1 receptor blockers (ARBs) afford protection against cerebrovascular complications that go beyond that to be expected from their blood pressure lowering action. Several mechanisms could explain such beneficial effects. Firstly, by blocking AT1 receptors, ARBs promote AT2 receptor stimulation by angiotensin II. The beneficial effect related to stimulation of AT2 receptors (vasodilation) counterbalances the deleterious actions of AT1 receptors stimulation. Changes in this ratio may then alter cerebral circulation. We demonstrated that the AT1- AT2 ratio is modified at the cerebrovascular level during high salt intake, which is a risk factor for stroke. The AT2-mediated vasodilation of pial arterioles is abolished. Secondly, some ARBs act as partial agonists of PPAR-gamma. Such an activity, which has been demonstrated to protect extracerebral vessels, could also be beneficial for cerebral circulation. Our results showed that PPAR-gamma activation improves ARB effects on cerebral circulation (arteriolar diameter, angiotensin II reactivity). The underlying mechanisms could imply functional regulation of AT1-AT2 receptors without any change in expression status. AT2 receptor stimulation and PPAR-gamma activity are two special properties of ARBs. These properties could contribute to the cerebroprotection induced by ARBs, beyond the AT1-receptor blockade. Development of new molecules with AT1-receptor blockade and PPAR-gamma activity could take part into the future therapeutic management of hypertension, providing a better cerebrovascular protection

Les accidents vasculaires cérébraux sont la deuxième cause de mortalité dans le monde, le développement de nouvelles thérapeutiques est donc urgent. Deux acteurs jouent un rôle majeur dans la régulation de la circulation cérébrale : le monoxyde d’azote (NO) et le système rénine angiotensine (SRA). Le chapitre 1 de ce manuscrit s’intéresse tout d’abord au NO, son rôle physiologique et ses voies de signalisation. Nous présentons les donneurs de NO disponibles sur le marché ainsi que ceux en développement. La bucillamine dinitrosée, développée dans notre laboratoire, fait l’objet d’une évaluation in vitro et in vivo. La deuxième partie de l’introduction s’intéresse au SRA, en rappelant son rôle prépondérant dans le maintien de la pression artérielle et de la régulation cérébrovasculaire. Nous présentons les récepteurs de l’angiotensine II (AngII), AT1 et AT2, responsables respectivement d’une vasoconstriction et d’une vasodilatation des artères cérébrales. Enfin la dernière partie présente la régulation des récepteurs de l’AngII par le NO, en particulier via la S-nitrosation du récepteur, la liaison d’un groupement NO sur une fonction thiol d’un résidu cystéine. Nous présentons les travaux de Leclerc qui montrent que l’exposition de cellules surexprimant le récepteur AT1 à un donneur de NO entraine une diminution d’affinité de l’AngII pour AT1 (Leclerc et al., 2006). Le chapitre 2 est consacré aux études expérimentales. L’objectif des travaux présentés dans cette thèse est d’étudier l’importance de la S-nitrosation des récepteurs de l’AngII au niveau cérébrovasculaire. Tout d’abord nous abordons la problématique actuelle concernant l’aspécificité des anticorps anti-AT1. Nous montrons que le nouvel anticorps monoclonal anti-AT1, censé être plus spécifique, ne reconnaît pas AT1 en western blot et en immunofluorescence, rendant donc son utilisation impossible. Nous faisons ensuite la démonstration pharmacologique des effets de la S-nitrosation sur les récepteurs de l’AngII. Nous montrons que l’exposition à un donneur de NO (S-nitrosoglutathion ou nitroprussiate de sodium) abolit spécifiquement la vasoconstriction médiée par AT1 comparé à d’autres vasoconstricteurs partageant ou non sa voie de signalisation. De plus cette exposition abolit aussi le tonus myogénique AT1-dépendant indépendant de la stimulation par l’AngII suggérant que l’altération survient sur le récepteur lui-même. Nous montrons par ailleurs que cet effet (i) ne dépend pas du NO endogène, (ii) se fait par une S-nitrosation plutôt que par la voie de la GMPc/GCs. Enfin nous étudions l’internalisation du récepteur par cytométrie en flux, sur un modèle hétérologue d’expression AT1. Nos résultats montrent que le GSNO ne modifie pas la localisation d’AT1 à la membrane et n’empêche pas son internalisation, indiquant que la voie ß-arrestine n’est pas impactée par la nitrosation.L’ensemble de ces résultats permet d’établir que la S-nitrosation d’AT1 constitue une cible thérapeutique potentiellement intéressante dans les AVC, où l’augmentation de la vasoconstriction médiée par AT1 est délétère / Stroke is the second leading cause of death worldwide, the development of new therapeutics is thus urgent. Two actors play a major role in the regulation of cerebral circulation: nitric oxide (NO) and the renin-angiotensin system (RAS). The first chapter of this manuscript focuses on NO, its role and its signaling pathways. We present the available NO donors as well as those in development. Dinitrosobucillamine, a new NO donor developed in our team, is evaluated in vitro and in vivo. The second part of the introduction focuses on RAS and its preponderant role in blood pressure maintenance and cerebrovascular regulation. We present the angiotensin II (AngII) receptors, AT1 and AT2 responsible for vasoconstriction and vasodilation of cerebral arteries, respectively. Finally, the last part presents the regulation of AngII receptors by NO, in particular through S-nitrosation of the receptors, the covalent bound between NO and cysteine residues. We present the work of Leclerc, showing that exposure of cells overexpressing AT1 to NO causes a decrease in AngII affinity for AT1 (Leclerc et al., 2006). The second chapter is devoted to the experimental studies. The objective of this work is to study the importance of AngII receptor S-nitrosation at the cerebrovascular level. First, we address the current problematic concerning the nonspecificity of anti-AT1 antibodies. We show here that the new monoclonal anti-AT1 antibody, which is supposed to be more specific, does not recognize AT1 in western blot and immunofluorescence, making its use impossible. We then make a pharmacological demonstration of S-nitrosation effects on AngII receptors. We show that exposure to NO donors (S-nitrosoglutathione or sodium nitroprusside) specifically abolishes AT1-mediated vasoconstriction compared to other vasoconstrictors sharing or not its signaling pathway. Moreover, this exposure also abolishes AT1-mediated AngII-independent myogenic tone, suggesting an alteration on the receptor itself. We also show that this effect (i) does not depend on endogenous NO, (ii) is mediated by S-nitrosation rather than by the cGMP/sGC pathway. Finally, we study AT1 internalization by flow cytometry on a heterologous model of AT1 expression. Our results show that GSNO does not alter AT1 cell surface localization and does not prevent its internalization, indicating that the ß-arrestin pathway is not impacted by nitrosation

Dans les neurones et les cellules vasculaires cérébrales, les dérivés réactifs de l’oxygène jouent un double rôle puisqu’ils peuvent avoir à la fois des effets bénéfiques, à faibles concentrations, et des effets délétères, à des concentrations élevées. Chez la souris, la circulation cérébrale se distingue des autres lits vasculaires puisque le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est le principal médiateur endothélial relaxant endogène. L’objectif de notre première étude a été de caractériser l’implication physiologique du H2O2 dérivé de la eNOS dans la fonction endothéliale cérébrale de la souris. Nous avons voulu identifier les mécanismes impliqués dans la dilatation induite par l’augmentation de débit intra-luminal (flow-mediated dilation, FMD). La FMD est la réponse à un stimulus physiologique endothélial la plus représentative de la situation in vivo. Nous avons démontré que le H2O2, et non le monoxyde d’azote (NO), dérivant de l’activation de la eNOS cérébrale, est le principal médiateur de la FMD. Cependant, nous connaissons très peu de données sur l’évolution de la voie du H2O2 au cours du vieillissement qu’il soit associé ou non aux facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires. Au cours du vieillissement, au niveau périphérique, les facteurs endothéliaux constricteurs ou dilatateurs évoluent en fonction de l’augmentation de stress oxydant. La présence de facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires, telle que l’hypercholestérolémie, pourrait accentuer l’augmentation du stress oxydant et ainsi accélérer la dysfonction endothéliale. Au niveau cérébral, très peu de données sont disponibles. Dans le cadre de notre deuxième étude, nous avons émis l’hypothèse qu’un débalancement des facteurs endothéliaux pourrait être à l’origine (1) de la dysfonction endothéliale cérébrale observée au cours du vieillissement et (2) de la dysfonction endothéliale précoce qui apparaît en présence d’athérosclérose. Nos résultats ont montré que l’augmentation de stress oxydant associée au vieillissement conduit à une libération endogène accrue de TXA2 qui diminue la voie du H2O2 au niveau cérébral et, par conséquent, réduit la dilatation dépendante de l’endothélium. De plus, la présence d’athérosclérose accélère l’apparition de la dysfonction endothéliale cérébrale. Le rôle clé joué par le stress oxydant a été confirmé par un traitement préventif avec l’antioxydant catéchine qui a permis de renverser tous les effets délétères de l’athérosclérose sur les fonctions endothéliales cérébrales. Finalement, la dysfonction endothéliale cérébrale précoce, associée avec l’athérosclérose, pourrait non seulement augmenter l’incidence de développer des accidents vasculaires cérébraux (AVC) mais aussi induire une diminution du débit sanguin cérébral et, ultimement, affecter les fonctions neuronales. Dans le cadre de notre troisième étude, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation de stress oxydant est associée avec une diminution du débit sanguin cérébral et un déclin subséquent des fonctions cognitives. Nous avons utilisé des souris athérosclérotiques âgées de 3 mois que nous avons soumises, ou pas, à un traitement chronique à la catéchine. Nos travaux montrent qu’un traitement préventif avec la catéchine peut prévenir les effets néfastes de l’athérosclérose sur la FMD, le débit sanguin et le déclin des fonctions cognitives qui est normalement associé au vieillissement. Nos résultats ont permis de distinguer l’effet du vieillissement des effets de l’athérosclérose sur les fonctions vasculaires cérébrales. Le traitement préventif avec la catéchine a eu des effets bénéfiques marqués sur la fonction endothéliale cérébrale, le débit sanguin cérébral et les fonctions cognitives, démontrant le rôle clé de l’environnement redox dans la régulation des fonctions cérébrales. / Reactive oxygen species can have different roles in neurons and cerebral vascular cells as low concentrations are beneficial while unlikable effects are observed at higher concentrations. Mice cerebral circulation is different from other vascular beds as hydrogen peroxide (H2O2) is a major endogenous endothelium-derived relaxing factor. The objective of our first study was to characterize the physiological implication of H2O2 derived from eNOS activation in mice cerebral arteries. We tried to identify the mechanisms implicated in flow-mediated dilation (FMD), the most physiological reactive endothelial function. Our study suggested that H2O2, but not nitric oxide, derived from cerebral eNOS activity was the main factor implicated in the regulation of FMD. However, the evolution of this dilatory pathway through ageing associated or not with risk factors for cardiovascular diseases is poorly understood. Ageing is associated with increase oxidative stress and endothelial dysfunction, the later characterized by an imbalance in the release of endothelial constricting and relaxing factors. Risk factors for cardiovascular diseases, such as hypercholesterolemia, can increase oxidative stress and could hasten endothelial dysfunction. However, the evolution of the endothelial factors through ageing, particularly H2O2 dilatory pathway, in the cerebral circulation is still not well described. In our second study, we hypothesise that alterations in endothelial factors might be responsible for (1) cerebral endothelial dysfunction observed during ageing and (2) the accelerated endothelial dysfunction associated with atherosclerosis. Our results suggested that increased in oxidative stress associated with ageing leads to the release of endogenous TXA2, which in turn, reduces eNOS activity and, consequently, reduces endothelial-dependent dilation. Furthermore, we found that oxidative stress increase associated with atherosclerosis hastens cerebral endothelial dysfunction in mice. The implication of oxidative stress was confirmed by the beneficial effect of the antioxidant catechin on atherosclerosis associated cerebral endothelial function. Finally, premature cerebral endothelial dysfunction observed during atherosclerosis could not only be associated with increase stroke incidence but also associated with a reduction in cerebral blood flow and, ultimately, a decrease in cognitive function. For our third study, we hypothesise that oxidative stress increase during atherosclerosis is associated with reduced cerebral blood flow and an accelerated cognitive function decline normally associated with ageing. We treated 3 month-old atherosclerotic mice with the antioxidant catechin and used untreated mice as controls. Our results suggested that catechin treatment can prevent the decrease in FMD, the decrease in cerebral blood flow and cognitive function decline observed during atherosclerosis. Taken together, our study allows to distinguish the effect of ageing and atherosclerosis on cerebrovascular function. Catechin treatment had beneficial effects on endothelial dilation, cerebral blood flow and cognitive function suggesting that the redox environment is a key player in the regulation of cerebral function.

L'objectif de cette thèse est de fournir des outils logiciels aux anatomistes et neuro-anatomistes afin de permettre une analyse tridimensionnelle quantitative des réseaux micro-vasculaires cérébraux. Cette analyse demande des images de très haute résolution (permettant de tenir compte du plus petit capillaire), mais aussi des images couvrant une surface du cortex suffisamment large pour être statistiquement significative. Comme elle ne peut être acquise en une seule fois, nous proposons de paver la surface à imager de plusieurs petites images et de créer ainsi une grande "mosaïque d'images". Chaque image est acquise grâce à un microscope confocal dont la résolution impose une grille anisotrope. Nous avons alors développé des outils de reconstruction spécifiques pour ce genre de mosaïques afin de générer des images à la fois très étendues et très précises. Or ces images sont trop volumineuses pour être chargées et traitées en une seule fois dans la mémoire d'un ordinateur standard. Nous avons donc développé des outils spécifiques de traitement d'image (filtrage, seuillage, outils de morphologie mathématique, de topologie discrète...) décomposés en traitements en sous-images. L'étude quantitative du réseau micro-vasculaire cérébral nécessite l'extraction des lignes centrales et une estimation des diamètres des vaisseaux. La géométrie discrète offre un cadre de travail rapide et puissant pour ce type de calculs. En effet, nous devons calculer une carte de distance en tout point de l'image. Afin d'avoir la meilleure précision possible tout en gardant un temps de traitement raisonnable, nous avons choisi une carte de distance du chanfrein. Une de nos contributions a été de proposer un calcul automatique des coefficients de chanfrein permettant de s'adapter à tout type d'anisotropie de grille. L'utilisation de telles cartes de distances permet de guider des algorithmes de squelettisation. De tels outils nécessitent la conservation d'une propriété globale, la topologie. Comme nous nous plaçons dans un cadre où l'on a accès qu'à des sous images, nous avons proposé un nouvel algorithme de squelettisation qui minimise le nombre d'accès à des sous-images afin de garantir un temps de calcul acceptable, tout en localisant correctement le squelette. Ces algorithmes ont été intégrés dans le logiciel ergonomique Amira et sont utilisés par les chercheurs de l'unité U455 de l'INSERM.

Thèse réalisée en cotutelle avec Dre Christine Des Rosiers / Le processus de l’athérosclérose est associé à des changements vasculaires structuraux et mécaniques dont la rigidification carotidienne et aortique. Ce phénomème est bien connu et contraste avec l’augmentation paradoxale de la distensibilité cérébrovasculaire observée dans les artères cérébrales exposées aux facteurs de risque cardiovasculaire, tels que l’hypertension. L’impact de l’athérosclérose sur le remodelage, la compliance et la fonction des artères cérébrales est inconnu. En ciblant l’endothélium, l’athérosclérose induit une dysfonction endothéliale cérébrale sévère qui interfère avec le contrôle du débit sanguin cérébral et ultimement avec les fonctions cognitives. Dans les artères cérébrales, le remodelage de la paroi artérielle est toujours accompagné d’une perte des fonctions vasodilatatrices, ce qui suggère que ces deux évènements sont au cœur d’un cercle vicieux. Nos études visent à vérifier l’hypothèse selon laquelle le remodelage de la paroi est déterminé par la fonction endothéliale au niveau cérébrovasculaire alors qu’au niveau de la carotide, le stress mécanique du pouls sanguin régule les propriétés structurales et biomécaniques. Afin de vérifier cette hypothèse, dans une première étude, nous avons sélectionné trois interventions thérapeutiques aux mécanismes d’action différents qui modulent la fonction endothéliale indirectement en diminuant le stress mécanique exercé sur la paroi via une diminution de la fréquence cardiaque. Suite à un traitement chronique de trois mois chez la souris athérosclérotique, LDLr-/-; hApoB-100+/+, l’efficacité de l’ivabradine, du métoprolol et de l’exercice physique volontaire dans la prévention de l’augmentation de la compliance cérébrovasculaire s’est avérée proportionnelle à l’étendue des bénéfices sur la fonction endothéliale. La rigidification carotidienne n’a été prévenue que par les interventions qui réduisent vraiment la fréquence cardiaque, c’est-à-dire l’ivabradine et le métoprolol. Dans une deuxième étude, nous avons confirmé nos résultats en utilisant un traitement antioxydant dans le but de cibler plus directement l’endothélium. La catéchine ne réduit pas la fréquence cardiaque, mais elle est reconnue pour protéger l’endothélium cérébral en neutralisant le stress oxydant. Ainsi, la carotide est restée rigide alors que le remodelage cérébral a été prévenu. Une technique d’imagerie novatrice, la tomographie par cohérence optique, nous a permis de valider nos observations in vivo et de proposer que la catéchine prévient l’hypoperfusion du cerveau en protégeant la fonction endothéliale et l’intégrité de la paroi vasculaire cérébrale. Finalement, les deux études identifient la métalloprotéinase de type 9 comme un joueur potentiellement impliqué dans l’augmentation de la compliance cérébrovasculaire. Nos études démontrent que les changements structuraux et biomécaniques affectant la paroi des artères cérébrales sont indubitablement dépendants de l’endothélium alors que dans la carotide, le stress mécanique est le paramètre le plus déterminant. Somme toute, en protégeant indirectement l’endothélium cérébral on empêche les processus de remodelage, telle que l’activation de la métalloprotéinase de type 9. De nombreuses études ont suggéré l’implication des dysfonctions cérébrovasculaires dans la maladie d’Alzheimer. En effet, les affections vasculaires qui compromettent chroniquement le débit sanguin cérébral, telles la dysfonction endothéliale et la réduction de la lumière artérielle, vont entraîner un déficit métabolique des neurones à l’origine de la neurodégénérescence. Les traitements préventifs cardioprotecteurs, tels que l’ivabradine, l’exercice physique et la catéchine améliorent la fonction endothéliale, la structure et la biomécanique des artères cérébrales, et pourraient donc prévenir l’hypoperfusion chronique du cerveau et le déclin cognitif dans l’athérosclérose. / Large artery stiffness and endothelial dysfunction are markers of atherosclerosis. Stiffening of the carotid arteries contrast with the paradoxical increase in distensibility of cerebral arteries that was reported in the presence of risk factors for cardiovascular diseases, such as hypertension. However, our knowledge concerning the influence of atherosclerosis on cerebrovascular compliance and structure remains incomplete. By targeting the endothelium, atherosclerosis induces a severe cerebral endothelial dysfunction affecting chronically the cerebral blood flow and potentially leading to cognitive dysfunctions. Few studies have shown that the paradoxical increase in cerebrovascular distensibility is consistently reported in animal model of risk factors for cardiovascular diseases exhibiting a cerebral endothelial dysfunction. That being said, we hypothesized that the compliance and structure of cerebral arteries is essentially controlled by the endothelium. To validate our hypothesis, in a first study, we selected three distinct therapeutic approaches that modulated the cerebral endothelial function and the mechanical stress imposed to the vascular wall by lowering heart rate in a mouse model of atherosclerosis, LDLr-/-; hApoB-100+/+ during three months. Ivabradine, metroprolol and voluntary physical training protected, with different efficiencies, the cerebral flow-mediated dilation and this was reflected by a prevention, or not, of the increase in compliance. A 13.5 % heart rate reduction with ivabradine and metoprolol limited carotid artery stiffening. Voluntary physical training did not induce an overall reduction of heart rate explaining the lack of effect on carotid mechanics and suggesting that carotids compliance is more influenced by the mechanical stress imposed to the vascular wall by the cardiac cycle. In a second study, we confirmed our previous findings using a diatery approach that targeted more directly the endothelium, the polyphenol antioxidant catechin. Catechin was previously proven, by us and others, to reverse endothelial dysfunction, reduce inflammation and neutralize reactive oxygen species in diverse vascular beds from animal models of atherosclerosis. Accordingly, we found that catechin prevents adverse cerebral wall remodeling but, again, without a significant heart rate reduction, carotids remained stiff. We also integrated a new live imaging technology allowing us to confirm our findings in vivo and to demonstrate that endothelial, structural and mechanical protection by catechin can result in an improvement of basal cerebral blood flow. Finally, both studies identified metalloproteinase -9 as a potential player in the process leading the weakening of the cerebral artery walls. Taken together, our studies highlight that structural and biomechanical alterations are genuinely triggered by endothelial dysfunction. In carotids, mechanicals stress seems to be the main factor controlling remodeling. In essence, indirect protection of the endothelium impedes in cerebral vessels the remodeling processes, such as the activation of metalloproteinase -9. Numerous studies have revealed that vascular, especially cerebral endothelial dysfunction is implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. When brain perfusion is compromised, the suboptimal energy delivery causes neuronal death. Deleterious cerebrovascular outcomes that promote the impairment of vasodilation and the encroachment of the lumen will limit cerebral blood flow in a chronic manner. Chronic treatment with ivabradine, voluntary physical training and catechin preserved the endothelial function, the structure and the mechanics of cerebral arteries, which guarantees a closer management of cerebral blow flow in atherosclerotic mice and a reduce propensity to develop cognitive deficiency.