Le développement de nouveaux outils et de nouvelles techniques pour la biologie et la médecine a toujours été un moteur pour la recherche en microscopie. Les premiers microscopes permirent à Antoine Von Leeuwenhoek en 1677 de découvrir les bactéries, les spermatozoïdes et les globules rouges et aujourd'hui nous cherchons à visualiser les processus intracellulaires, l'interaction des protéines, l'interaction des cellules dans les tissus... Chaque année de nouvelles techniques apparaissent pour voir plus petit, plus spécifique, plus physiologique. Le laboratoire d'optique et biosciences dans lequel j'ai effectué ma thèse s'intéresse plus particulièrement aux techniques de microscopie multiphoton. Ce type de microscopie, qui re- pose sur les interactions non linéaires entre la matière et la lumière, est principalement utilisé aujourd'hui pour suivre des marqueurs fluorescents dans les tissus grâce au processus de fluo- rescence sous excitation à deux photons. En cela, elle sert à suppléer la microscopie confocale pour visualiser des phénomènes à des profondeurs de pénétration qui lui sont inaccessibles, et permet ainsi de travailler sur l'ensemble d'un tissu. Toutefois, la microscopie multiphoton ne se borne pas à la fluorescence sous excitation à 2 photons ; elle donne aussi accès à des processus non linéaires comme la génération d'harmoniques ou l'émission Raman anti-Stockes stimulée. Ces interactions non linéaires sont encore peu utilisées en biologie et font l'objet de recherches dans notre laboratoire. L'un des processus non linéaires étudiés au laboratoire est la génération de second harmo- nique (SHG). Celle-ci a été mise en évidence en 1961 par P. A. Franken[1] dans des cristaux non linéaires et s'utilise couramment pour doubler la fréquence des lasers. En 1979, ce proces- sus a été appliqué en biologie par Samuel Roth et Isaac Freund[2] sur des tendons de rat où l'organisation du collagène permet d'obtenir l'effet non linéaire. Presque trente années se sont écoulées depuis cette expérience, mais la génération de second harmonique par le collagène reste mal comprise. De plus, même si de nombreuses études ont montré le potentiel de cette technique, elle reste peu utilisée par les biologistes. Cette thèse, sous la direction de Marie-Claire Schanne-Klein, veut répondre à plusieur questions : - Quel est le rôle de l'organisation submicrométrique du collagène dans la génération du signal de second harmonique ? - Que peut apporter cette technique dans la visualisation du collagène par rapport aux autres techniques déjà existantes ? - Quelle est la pertinence de cette technique pour répondre à des problématiques biolo gique ? Nous nous sommes focalisés sur la fibrose qui est une accumulation anormale de collagèn dans les tissus. Une thèse précédente réalisée dans notre laboratoire par Ana-Maria Pena avai déjà montré le potentiel de la génération de second harmonique pour évaluer la gravité d fibroses pulmonaires induites par la bléomycine. Toutefois, ces études réalisées en collabora tion avec le service de pneumologie de l'hôpital Bichat sont restées à l'état de démonstration de principe. Nous avons alors engagé une collaboration étroite avec une équipe de néphro logues composée de Pierre Louis Tharaux, Monica Hernest et Cécile Fligny (Cardiovascula Research Center Inserm Lariboisière INSERM U689, France) qui travaillent sur les phéno mènes de fibroses dans le rein, et nous avons appliqué la microscopie par génération de second harmonique à cette problématique biomédicale. Dans ce manuscrit, le premier chapitre introduit les notions biologiques sur le collagèn et la fibrose nécessaires à la compréhension de la suite. Le deuxième chapitre présente le diverses techniques de visualisation du collagène, insiste sur les principes et le dispositif d microscopie multiphoton et enfin développe une modélisation du signal de génération de se cond harmonique par le collagène observé en microscopie. Nous proposons ensuite dans l troisième chapitre une méthodologie pour quantifier la fibrose rénale, que nous validons su un modèle murin de fibrose rénale. Enfin, le dernier chapitre est consacré à l'application d notre méthodologie à diverses problématiques biologiques liées à la fibrose rénale.

Lors de cette étude, le potentiel des collagènes porcin et aviaire pour la fabrication d'un biomatériau à base de collagène et de chitosane a été évalué. L'utilisation de ces collagènes a été comparée à celle du collagène bovin, utilisé dans notre laboratoire depuis plusieurs années, pour la fabrication de ce biomatériau. Ce dernier, produit sous forme d'épongé, sert principalement de substitut dermique expérimental, mais pourrait éventuellement devenir un substitut dermique pour des applications cliniques. Nous avons pu démontrer que les collagènes porcin et aviaire pouvaient être utilisés comme alternatives au collagène bovin pour la production de biomatériaux pour ce qui est des paramètres de colonisation cellulaire, des propriétés mécaniques et de la cytotoxicité. Il nous est apparu évident que le changement de source de collagène nécessitait l'optimisation des ratios de collagène et de chitosane ainsi que des paramètres de lyophilisation afin de moduler la taille des pores des éponges produites.

Le collagène occupe une place importante au niveau de plusieurs champs d'étude. En plus d'être reconnu, dans le domaine de la biologie cellulaire, pour ses propriétés adhésives aux cellules environnantes, physiologiquement le collagène contribue au maintien de l'unité fonctionnelle des organes grâce à son rôle de soutien.Le collagène répond également à maints champs d'exploitation, dont la cosmétologie, pour son apport hydrique, la chirurgie, vu sa propriété d'agrégant plaquettaire et de colle lors de suturation des plaies, mais également celui de l'orthopédie où le collagène sert à la régénérescence osseuse. Cependant, les collagènes utilisés dans ces sphères d'activités, sont majoritairement d'origine bovine, ovine, caprine ou murine. Étant donné que le collagène d'origine mammifère est susceptible d'être contaminé par des prions et donc de transmettre à l'humain l'encéphalopathie spongiforme bovine, une maladie mortelle, et que le collagène de queue de rat n'est disponible qu'en petite quantité et sous une forme dénaturée, nous avions pour objectif d'analyser les particularités d'un nouveau collagène natif extrait de la peau de poissons d'eau chaude. Dans cette étude, nous avons utilisé les cellules épithéliales intestinales humaines indifférenciées HIEC comme modèle cellulaire, afin de comparer la morphologie, l'adhésion, la différenciation et la prolifération des cellules cultivées sur le collagène natif marin à celles cultivées sur le collagène de queue de rat standard. Les résultats obtenus par diverses méthodes dont la microscopie à contraste de phase, les tests d'adhésion, l'immunobuvardage de type Western, le RT-PCR et l'immunofluorescence indirecte ont permis de démontrer de grandes similitudes entre les deux types de collagène analysés. Les résultats obtenus démontrent que le collagène natif marin est très semblable au collagène de queue de rat, en ce qui a trait à son aspect adhésif et son incapacité à induire la différenciation cellulaire. D'autre part, le collagène marin adopte une conformation structurale beaucoup plus organisée, sous forme de fibrilles trimériques, alors que la solution de collagène de queue de rat contient principalement que des monomères. De plus, le collagène marin semble être significativement moins proprolifératif [i.e. prolifératif] que le collagène de queue de rat. Cette particularité nous paraît bien intéressante, puisque le collagène natif marin pourrait avoir de nombreuses retombées sur le marché thérapeutique, afin de soulager les patients atteints de maladies associées avec une hyperprolifération comme le psoriasis. Un baume à base de collagène marin serait en mesure de réduire la prolifération des cellules épidermiques et par le fait même limiter la progression des lésions, par exemple. Plusieurs laboratoires de recherche pourront bénéficier des propriétés comparables du collagène natif marin à moindre coût et plus sécuritaire pour la santé.

Les produits de glycation avancée résultent d'une réaction chimique entre les sucres réducteurs, comme le glucose, avec les protéines et ainsi causer la réticulation des tissus exposés. L'hyperglycémie chronique observée dans la pathologie du diabète expose les tissus à des concentrations de glucose beaucoup plus importantes et amplifie la formation de réticulations. Les tissus vasculaires sont la voie de distribution périphérique du glucose et en sont donc directement exposés. La réticulation du système circulatoire serait la cause de complications majeures associées au diabète. Afin de mieux comprendre l'impact de la réticulation sur les vaisseaux sanguins, nous avons effectué des analyses mécaniques de différents éléments structurels composant les tissus vasculaires comme le collagène et les cellules endothéliales. Nous avons, dans un premier temps, étudié les propriétés mécaniques du collagène dans des expériences mécaniques sur des fibres de collagène. La microscopie à force atomique nous a permis d'identifier des déterminants structuraux majeurs dans la compréhension de la mécanique d'élongation des tissus de collagène. Des expériences mécaniques, suite à une réticulation par les produits de glycation avancée, ont révélé que le collagène réticulé perd une grande partie de sa capacité à dissiper la tension appliquée à sa structure. De plus, dans la phase"Toe", représentant le régime de fonctionnement physiologique et associée à une phase de déformation non linéaire, les fibres de collagène requièrent une dépense d'énergie beaucoup plus importante pour leur déformation. Le collagène réticulé par les produits de glycation avancée s'avère effectivement beaucoup plus rigide et cohésif. Ainsi, dans le contexte d'un tissu vasculaire, la réticulation par les produits de glycation avancée pourrait affecter leurs propriétés mécaniques ce qui aurait des impacts directs sur la rigidité et la compliance des vaisseaux sanguins. Parallèlement, nous avons mesuré l'impact de la réticulation sur la rigidité des cellules endothéliales suite à une exposition chronique à de fortes concentrations de glucose par une méthode de spectroscopie de force dérivée de la microscopie à force atomique. Les cellules endothéliales exposées à une forte concentration de glucose sont beaucoup plus rigides. Cette rigidité accrue serait associée à la formation de réticulations par les produits de glycation avancée. L'hyperglycémie diabétique favorise la réticulation de l'endothélium pour en modifier sa structure et affecter ses fonctions. Nous pensons que les impacts de la réticulation sur ces deux éléments des tissus vasculaires sont des facteurs majeurs de la rigidification des vaisseaux sanguins et de la dysfonction endothéliale. Ces phénomènes sont d'ailleurs clairement identifiés comme des causes directes des complications associées au diabète comme l'hypertension et l'artériosclérose.

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

La thérapie canalaire occasionne à la dent traitée une perte de sensibilité et de vitalité. La dent n’est plus en mesure de combattre une infection éventuelle et reste fragile. Pour une dent permanente immature nécrosée, la perte de vitalité peut mener à l’arrêt de la croissance radiculaire. La mise au point d’une technique de régénération est nécessaire pour guider le processus de différenciation des cellules souches vers le type cellulaire désiré et permettre de regagner la vitalité du tissu pulpaire. L’étude a pour but d’examiner si une matrice poreuse à base de collagène permet la différenciation des cellules souches humaines de la pulpe dentaire (CSPD) en cellules odontoblastiques. Des CSPD ont été mises en culture avec ou sans facteurs de différenciation odontoblastique, en monocouche ou en présence de la matrice collagénique. L’adhésion a été observée à 6 et à 24 h. La prolifération a été étudiée par la technique d’incorporation du bromure 3-(4,5- diméthylthiazol-2-yl)-2,5-diphényltétrazolium (MTT) à 3 et 5 jours. La morphologie cellulaire a été visualisée par microscopie optique à 3 et 7 jours. La formation de tissu calcifié et l’activité de la phosphatase alcaline (ALP) ont été évaluées à 2, 3 et 4 semaines. La sialophosphoprotéine de la dentine (SPPD) et l’ostéocalcine (OC) ont aussi été examinées par transfert de protéines. Les résultats montrent que les CSPD adhèrent et prolifèrent en présence du milieu de différenciation et de la matrice de collagène. Il y a production d’ALP et de tissu calcifié en présence du milieu de différenciation et de la matrice de collagène. L’analyse protéique indique la production de SPPD et d’OC, confirmant la différenciation de CSPD en cellules odontoblastiques au contact de la matrice de collagène. La matrice de collagène pourrait offrir un microenvironnement favorisant la différenciation des CSPD en odontoblastes dans le système canalaire in vivo. / Root canal therapy results in loss of tooth sensitivity and vitality. The tooth cannot respond to subsequent infections and become brittle. When permanent teeth become necrotic at early patient age, the treatment options are limited and the long-term survival of these teeth is questionable due to the thin, incompletely formed dentin walls and the minimal crown-root ratio. The regenerative endodontic procedures offer a new treatment option to promote healing as well as replace the pulp-dentin complex with a possible recovery of the pulp vitality. The objective of this study was to investigate if a biological porous collagen scaffold promotes differentiation of human dental pulpal stem cells (DPSC) into odontoblast-like cells. DPSCs were cultured in standard or differentiation medium either in monolayer or in contact with a collagen scaffold. The adhesion of DPSCs was observed at 6 and 24 h. The cell proliferation was studied by using 3-(4,5- dimethylthiazolyl-2)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, at 3 and 5 days. Cellular morphology was visualized by optic microscopy at 3 and 7 days. Tissue mineralization and alkaline phosphatase activity (ALP) were appreciated after 2, 3 and 4 weeks. Dentin sialophosphoprotein (DSPP) and osteocalcin (OC) were examined by Western blot. The results showed that DPSCs adhere and proliferate in contact with the collagen scaffold. Production of calcified tissue and ALP were observed when DPSCs were cultured on the collagen scaffold. Protein analysis demonstrated production of DSPP and OC, which confirms the presence of odontoblast-like cells when in contact with the collagen scaffold. Overall, our study demonstrated the potential use of the porous collagen scaffold to promote DPSC differentiation in odontoblast-like cells in root canal system in vivo.

La migration des lymphocytes T à travers la matrice extracellulaire (MEC) est un évènement clé dans la réponse immune adaptative et dans les maladies inflammatoires. Bien que les mécanismes de migration trans-endothéliale soient bien étudiés, ceux impliqués dans la migration à travers la MEC du tissu interstitiel sont encore peu connus. Au laboratoire, on s'intéresse aux lymphocytes Th17 du fait de leur rôle important dans le développement des maladies auto-immunes. Nous avons récemment montré que le récepteur à domaine discoïdine de type 1 (DDR1), qui lie le collagène, est important pour la migration des Th17 à travers le collagène de type I et également in vivo dans le modèle de la poche d'air. Par ailleurs DDR1 active la voie Rho/ROCK/MAPK/ERK qui est essentielle à la motilité des Th17. Dans cette étude, nous avons investigué l'implication des voies MAPK p38 et JNK dans la migration des lymphocytes Th17 à travers le collagène de type I qui est le constituant majeur de la MEC du tissu interstitiel. Nous avons trouvé que la voie p38 est nécessaire à la migration des Th17 à travers le collagène tridimensionnel (3D), et que cette voie est activée par le récepteur DDR1. Ainsi, ces résultats suggèrent que la voie DDR1/MAPK p38 pourrait constituer une cible thérapeutique importante pour le traitement des maladies auto-immunes dépendantes des lymphocytes Th17.

Les lymphocytes Th17 sont une sous-population de lymphocyte T découverte récemment et dont la particularité est de produire de l’IL-17. Ces cellules ont été impliquées dans le développement de maladies auto-immunes. Toutefois, les mécanismes régulant les fonctions des lymphocytes Th17 dans ces maladies ne sont pas très bien connus. Plusieurs études indiquent que les intégrines liant le collagène sont des molécules de costimulation pour les lymphocytes T effecteurs. De plus, ces intégrines ont été impliquées dans le développement de plusieurs maladies auto-immunes. On les retrouve entre autres sur les lymphocytes T arthritiques du liquide synovial. Cependant, l’expression et les fonctions des intégrines liant le collagène chez les lymphocytes Th17 sont inconnues. Nous avons montré que l’intégrine liant le collagène alpha2beta1 (α2β1) est exprimée sur les cellules Th17, mais que l’intégrine α1β1 ne l’est pas. Nous avons également observé que les collagènes de type I et de type II costimulent la production d’IL-17A, d’IL-17F et d’IFN-γ dans les lymphocytes Th17 humains activés par le récepteur des cellules T (TCR) alors que le collagène de type IV, liant l’intégrine α1β1, n’a pas d’effet sur la production de ces cytokines. Nous avons également montré que les lymphocytes T expriment un autre récepteur pour le collagène, soit DDR1. Nos résultats suggèrent que ce récepteur n’est pas impliqué dans l’adhésion, mais plutôt dans la migration des lymphocytes T dans le collagène tridimensionnel. Nous avons trouvé que les lymphocytes Th17 expriment DDR1, mais que celui-ci n’est pas impliqué dans la costimulation par le collagène. Nos résultats ont mis en évidence le rôle des voies de signalisation MAPkinases ERK, JNK et la voie PI3K/AKT pour l’expression et la production d’IL-17 suite à la stimulation par le TCR alors que la voie MAPkinase p38 n’est importante que pour la costimulation de l’IL-17 par l’intégrine α2β1. Nos résultats ont également montré que l’expression du facteur de transcription RORc, qui joue un rôle central dans la différenciation Th17 et l’expression de l’IL-17, est augmentée par la costimulation du collagène. L’expression de RORc nécessite les voies MAPkinase ERK et PI3K/AKT qui sont aussi augmentées par le collagène. Nos résultats indiquent que l’intégrine α2β1 participe à l’activation des lymphocytes Th17 et de ce fait peut réguler à la hausse le développement des maladies auto-immunes dans les tissus riches en collagène. / Les lymphocytes Th17 sont une sous-population de lymphocyte T découverte récemment et dont la particularité est de produire de l’IL-17. Ces cellules ont été impliquées dans le développement de maladies auto-immunes. Toutefois, les mécanismes régulant les fonctions des lymphocytes Th17 dans ces maladies ne sont pas très bien connus. Plusieurs études indiquent que les intégrines liant le collagène sont des molécules de costimulation pour les lymphocytes T effecteurs. De plus, ces intégrines ont été impliquées dans le développement de plusieurs maladies auto-immunes. On les retrouve entre autres sur les lymphocytes T arthritiques du liquide synovial. Cependant, l’expression et les fonctions des intégrines liant le collagène chez les lymphocytes Th17 sont inconnues. Nous avons montré que l’intégrine liant le collagène alpha2beta1 (α2β1) est exprimée sur les cellules Th17, mais que l’intégrine α1β1 ne l’est pas. Nous avons également observé que les collagènes de type I et de type II costimulent la production d’IL-17A, d’IL-17F et d’IFN-γ dans les lymphocytes Th17 humains activés par le récepteur des cellules T (TCR) alors que le collagène de type IV, liant l’intégrine α1β1, n’a pas d’effet sur la production de ces cytokines. Nous avons également montré que les lymphocytes T expriment un autre récepteur pour le collagène, soit DDR1. Nos résultats suggèrent que ce récepteur n’est pas impliqué dans l’adhésion, mais plutôt dans la migration des lymphocytes T dans le collagène tridimensionnel. Nous avons trouvé que les lymphocytes Th17 expriment DDR1, mais que celui-ci n’est pas impliqué dans la costimulation par le collagène. Nos résultats ont mis en évidence le rôle des voies de signalisation MAPkinases ERK, JNK et la voie PI3K/AKT pour l’expression et la production d’IL-17 suite à la stimulation par le TCR alors que la voie MAPkinase p38 n’est importante que pour la costimulation de l’IL-17 par l’intégrine α2β1. Nos résultats ont également montré que l’expression du facteur de transcription RORc, qui joue un rôle central dans la différenciation Th17 et l’expression de l’IL-17, est augmentée par la costimulation du collagène. L’expression de RORc nécessite les voies MAPkinase ERK et PI3K/AKT qui sont aussi augmentées par le collagène. Nos résultats indiquent que l’intégrine α2β1 participe à l’activation des lymphocytes Th17 et de ce fait peut réguler à la hausse le développement des maladies auto-immunes dans les tissus riches en collagène.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.