L'os, tissu conjonctif minéralisé, assure les fonctions de protection, de support et de motilité. De nombreuses pathologies osseuses requièrent l'utilisation d'implants naturels ou synthétiques et le vieillissement de la population accroît cette demande. La thèse a eu pour objet d'évaluer les potentiels de reconstruction osseuse de matériaux préparés à partir de solutions de collagène de concentration moyenne (5mg/mL) et haute (40mg/mL). Ces matériaux fibrillaires, simple à façonner, ont été caractérisés par microscopie photonique et électronique et comparés aux éponges de collagène déjà utilisées en thérapeutique. En culture in vitro à long terme, des ostéoblastes humains, primaires ou transformés, se multiplient et s'organisent en une monocouche épithélioïde sur les matrices à 5mg/mL, ou en cellules plates et allongées sur les matrices à 40mg/mL. La minéralisation des matrices, en conditions standard, n'a lieu qu'en présence d'ostéoblastes tandis que les éponges minéralisent de façon spontanée. Dans un défaut crânien engendré chez le rat, les matrices ont permit son comblement à plus de 80%. Elles sont colonisées par les ostéoprogéniteurs qui se différencient et synthétisent de l'os minéralisé ; leur concentration module leur dégradation. En contact en 3D avec le réseau fibrillaire les otéoblastes primaires apparaissent dendritiques et s'organisent en syncytium, reliés par des jonctions communicantes. Cette transition morphologique est décrite in vitro par une approche combinée de microscopies. Ces travaux valident l'utilité des matrices fibrillaires de collagène pour l'ingénierie de l'os. Ils confirment également l'intérêt que peut tirer la recherche fondamentale de disposer de matrices extracellulaires modèles.

Les maladies osseuses liées au vieillissement, telles l'arthrose ou l'ostéoporose, constituent un problème de santé publique. L'augmentation du renouvellement osseux, et le déséquilibre entre la formation et la résorption osseuse en faveur de la résorption consécutive à la chute d'œstrogènes au moment de la ménopause contribuent à l'apparition de l'ostéoporose. Cette maladie est caractérisée par une perte de densité minérale osseuse (DMO) et une altération de la microarchitecture osseuse qui entraînent une augmentation du risque de fracture. Face à ce phénomène, il est important de mettre en oeuvre des stratégies préventives, notamment en développant de nouveaux produits favorisant la santé osseuse. Le collagène joue un rôle important dans l'organisme, spécialement au niveau de la structure osseuse et du cartilage. Dans ce contexte, se pose la question d'un effet possible du collagène ou des hydrolysats de cette molécule pour limiter les effets de la dégénérescence osseuse. L'objectif ce de travail est de démontrer l'effet bénéfique des peptides issus du collagène hydrolysé sur le métabolisme osseux en faisant l'hypothèse que ces peptides sont capables de mimer l'action de ceux issus de la dégradation du collagène de type I de la matrice cellulaire osseuse. Nous avons réalisé une première approche expérimentale pour vérifier s'il pourrait y avoir un effet du collagène hydrolysé sur la croissance osseuse. Nous avons utilisé pour cela des cultures mixtes ostéoclastes/ostéoblastes et étudié la croissance cellulaire ainsi que la différenciation cellulaire. Suite à ce travail, nous avons choisi un modèle de souris C3H/HeN subissant une ablation des ovaires afin de provoquer une chute hormonale et donc une perte de densité osseuse et nous avons confirmé l'effet obtenu in vitro sur ce modèle. Nous avons suivi plusieurs paramètres osseux : la DMO, les marqueurs de formation/résorption et la microarchitecture osseuse. Nos résultats montrent que les peptides, issus de l'ingestion en prise aiguë ou continue de collagène hydrolysé, modulent l'activité ostéoblastique entraînant un remodelage osseux plus important et favorise la formation osseuse au niveau de la zone corticale fémorale. Il en résulte une augmentation de la résistance osseuse à la cassure des os des souris en croissance ou une meilleure élasticité des os des souris matures. De plus, nos résultats suggèrent un effet préventif de la prise de collagène sur la perte de densité osseuse. Ces résultats mettent en lumière dans les modèles expérimentaux mis en oeuvre l'intérêt de l'ingestion du collagène hydrolysé pour le maintien de la santé osseuse.

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

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

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

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

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

La génération de second harmonique (SHG) est un processus non-linéaire qui se produit dans des structures non-centrosymétriques, comme c'est le cas de certains matériaux cristallins ou biologiques. Il consiste à coupler deux champs à la même fréquence pour générer un photon à la fréquence double. La manipulation de la polarisation des champs incidents donne accès à des informations microscopiques et structurales de l'échantillon. De plus, l'utilisation d'une détection polarisée permet de mettre à jour des effets physiques dans les assemblages moléculaires biologiques.Dans ces travaux de thèse, nous nous intéressons principalement à l'étude des fibres de collagène I en SHG polarisée dans des échantillons modèles et des tissus. Nous étendons cette étude à la compréhension de l'interaction des fibres avec leur environnement cellulaire pour ensuite, aborder la problématique des tissus cancéreux. Enfin, nous proposons différents modèles microscopiques de la structure du collagène, évalués par une méthode basée sur la décomposition en série de Fourier du signal polarisé, pour apporter un diagnostic quantitatif sur des échantillons biologiques. / Second harmonic generation (SHG) is a non-linear process which consists in coupling two photons at the same frequency to generate one photon at the twice frequency. It generally occurs in non-centrosymmetric samples such as crystals or molecular assemblies. The manipulation of the optical field polarization gives access to structural and microscopic informations. Moreover, using polarized detection allows to determine physical effects in molecular assemblies.In this Phd thesis, we are particulary interested in studying polarized SHG signals from collagen type I fibers in model samples and tissues. We extend our work to the investigation of the interaction of the fibers with their cellular environment. We also address the problematic of cancerous tissues.Finally, we propose several models for the microscopic structure of collagen, evaluated by a method based on the Fourier decomposition of the polarized SHG signal, to provide a quantitative diagnosis of biological samples.

Le mélanome est le cancer cutané le plus invasif. Au cours de l’invasion tumorale et de la dissémination métastatique, les cellules tumorales sont capables de dégrader la matrice extracellulaire par la sécrétion de protéases telles que les MMPs. Lors de cette protéolyse matricielle, différents fragments de la matrice extracellulaire exerçant des activités anti-tumorale et/ou anti-angiogénique, nommés matrikines, sont libérés et modulent la croissance tumorale. De nombreuses matrikines dérivées des collagènes de membrane basale sont capables de limiter la progression tumorale. Nous avons étudié les propriétés anti-tumorales du domaine NC1 α4(IV), nommé tétrastatine, à la fois in vitro et in vivo dans un modèle de mélanome humain. La tétrastatine induit une inhibition de la prolifération et de l’invasion des cellules de mélanome in vitro. L’inhibition de prolifération est corrélée à un retard en phase G1/S du cycle cellulaire en présence de tétrastatine. L’inhibtion de l’invasion peut notamment s’expliquer par une inhibition de l’activation de la MMP-14 et une modification de sa répartition cellulaire, avec perte du phénotype migratoire en présence de tétrastatine. In vivo, la surexpression de la tétrastatine induit une forte inhibition de la croissance tumorale, dans un modèle de xénogreffe de mélanome humain chez la souris nude. Nous avons également pu identifier l’intégrine αvβ3 comme un récepteur potentiel de la tétrastatine. Enfin, l’étude des capacités anti-prolifératives et anti-invasives des cellules UACC 903 en présence de différents peptides permet aujourd’hui de mieux préciser la séquence responsable de l’activité anti-tumorale de ce domaine. En conclusion, la tétrastatine est une nouvelle matrikine à fort potentiel anti-tumoral capable de limiter la progression du mélanome. / Melanoma is the most invasive cutaneous cancer. During tumor invasion and metastatic dissemination, tumor cells degrade the extracellular matrix by secretion of proteases such as MMPs. During matrix proteolysis, fragments of the extracellular matrix with anti-tumor and/or anti-angiogenic activities, called matrikines, are released and modulate tumor growth. Many matrikines derived from basement membrane collagens are able to inhibit tumor progression. We studied the anti-tumor properties of the domain NC1 α4 (IV), named tetrastatin, both in vitro and in vivo in a human melanoma model. Tetrastatin induces inhibition of proliferation and invasion of melanoma cells in vitro. This inhibition of proliferation is correlated to a cell cycle delay in G1/S phase when cells are incubated with tetrastatin. The inhibition of invasion could be due, at least partly, to the inhibition of MMP-14 active form and modification of its cellular distribution, with a loss of the migratory phenotype in the presence of tetrastatin. In vivo, tetrastatin overexpression induces a strong inhibition of tumor growth, in a human melanoma xenograft model in nude mice. We also identified integrin αvβ3 as a potential receptor of tetrastatin. Finally, the study of the anti-proliferative and anti-invasive properties of the UACC 903 cells in the presence of different peptides allows us to better identify the sequence responsible of the anti-tumor activity. In conclusion, tetrastatin is a new potent anti-tumor matrikine capable of limiting melanoma progression.

Le terme invadosome regroupe à la fois les podosomes, dans les cellules normales, et les invadopodes, dans les cellules transformées par l’oncogène Src et les cellules cancéreuses. Ces structures sont capables d’interagir avec et de dégrader la matrice extracellulaire (MEC). Ils sont aussi considérés comme des méchanosenseurs car ils sont capables de sentir la rigidité et la nature de la MEC. Mon travail de thèse s’est focalisé sur l’impact du microenvironnement matriciel sur la formation et l’activité des invadosomes. Au cours d’une première étude, nous avons démontré que les cellules endothéliales microvasculaires forment de façon constitutive des podosomes. L’utilisation de matrices de rigidités contrôlées, a permis la mise en évidence d’une corrélation entre l’augmentation de la rigidité augmentait et le nombre de cellules formant des podosomes ainsi que la taille de ces structures. En plus de la rigidité, d’autres propriétés de la MEC, telles que sa composition moléculaire et son organisation pourraient influencer la formation des invadosomes. Dans une seconde et troisième étude, nous avons pu montrer que seul le collagène fibrillaire de type I était capable d’induire la formation de microdomaines d’actine linéaires qui présentent comme les invadosomes, la capacité de dégrader la MEC. Au vu de leur morphologie originale, nous avons nommés ces structures des invadosomes linéaires (LIs). De façon intéressante, nous avons pu établir que la formation et l’activité de dégradation des LIs étaient indépendantes des intégrines β1 et β3. Au contraire, nous avons démontré que les récepteurs à domaine discoïdine (DDRs) contrôlent la formation et l’activité des LIs. De plus, les voies de signalisation classiques associées aux invadosomes classiques ne sont pas impliquées dans la formation des LIs. Une analyse par spectrométrie de masse des interactants de DDR1 dans un contexte collagène de type I fibrilllaire a permis de mettre en évidence des régulateurs clés et de révéler une voie de signalisation potentiellement impliquée dans la formation des LIs.Ainsi, ce travail de thèse a permis d’identifier la rigidité de la matrice comme un inducteur majeur des podosomes mais aussi la capacité intrinsèque des cellules microvasculaires à former ces structures. De plus, nous avons identifié un nouveau type d’invadosome, les LIs, qui sont associés à un nouveau type de récepteur concernant les invadosomes, les DDRs. / Invadosome is a global term including podosome, found in normal cells, and invadopodia observed in Src-transformed and cancer cells. These structures are specialized cell-matrix contacts able to interact with and degrade the extracellular matrix (ECM). They are considered as mechanosensors as they are able to sense the strength, the nature of the extracellular matrix. My PhD work essentially focuses on the understanding of how matrix microenvironment impacts on invadosome formation and activity. In a first study, we demonstrated that microvascular cell types constitutively form podosomes. Thus, using matrices of controlled rigidity, we found that an increase of stiffness was associated with an enhancement in the number of cells forming podosomes and podosome size. In addition to the matrix rigidity, other microenvironment properties, such as the molecular composition and the organization of the matrix are expected to influence the formation of invadosome.In a second and a third part of this wok, we show that fibrillar type I collagen induce the formation of linear actin microdomains which exhibit invadosome characteristics. In view of their original architecture, we named these new structures, linear invadosomes (LIs).Interestingly, we show that the formation and degradation activity of LIs are independent of β1 and β3-integrins but required discoidin domain receptors (DDRs). Moreover, all the signalling pathways known to induce classical invadosome are not required for the LIs induction. A mass spectrometry analysis of DDR1 partners emphasized key regulators and these results highlight a new potential signalling pathway involved in LIs formation. This work allowed us identifying matrix stiffness as a major inducer of podosomes but also the intrinsic capacity of microvascular cells to form these structures. Moreover, we identify a new type of invadosome, the Linear Invadosome associated with DDRs receptors.