Le gène ShcA encode pour 3 isoformes de la protéine adaptatrice Shc, soit p46, p52 et p66Shc. La plupart des études faites sur Shc ont été réalisées dans le contexte de l'isoforme p52Shc. Un des premiers rôles attribués à p52Shc a été sa capacité d'activer la voie de signalisation MAPK en aval des récepteurs tyrosine kinase. Par la suite, plusieurs rôles ont été attribués à p52Shc, dont l'induction de la prolifération cellulaire, la migration, l'angiogenèse et la croissance sans ancrage à la matrice extracellulaire. Tous ces processus biologiques sont impliqués dans l'initiation et la progression du cancer. Pendant longtemps on croyait que les 3 isoformes de Shc avaient les mêmes fonctions. Cependant en 1997, un rôle distinct a été découvert pour p66Shc. Cet isoforme est antagoniste à p52Shc, c'est-à-dire qu'il inhibe la voie MAPK, la prolifération ainsi que la migration cellulaire. De plus, p66Shc aurait un rôle pro-apoptotique suite à des stress cellulaires, dont le stress oxydatif. Ces observations suggèrent que p66Shc agirait comme suppresseur de tumeur. Nous nous sommes donc penchés sur son rôle au niveau de la carcinogenèse colorectale. Nos travaux nous ont d'abord permis de caractériser le statut des isoformes de Shc au niveau des cellules de cancer colorectal humain. On a observé une diminution de l'expression de p66Shc par rapport aux cellules normales ainsi qu'une augmentation de la phosphorylation de p52Shc dans les cellules cancéreuses humaines avec un potentiel plus agressif. Cependant, la réexpression de p66Shc dans les cellules DLD-1 possédant des niveaux non détectables de p66Shc, n'affecte pas la prolifération, la croissance sans ancrage à la matrice extracellulaire et ni l'apoptose suite à un stress oxydatif. Par la suite, les résultats obtenus par des analyses moléculaires nous ont permis de déterminer que la réexpression de p66Shc diminue la phosphorylation de p52Shc sur ses résidus tyrosines ainsi que l'interaction entre Grb2 et p52Shc. Toutefois, la réexpression de p66Shc n'a aucun impact sur l'activation de ERK. De plus, nos analyses in vivo ont démontré une diminution de la capacité des cellules DLD-1 réexprimant p66Shc à former des tumeurs chez les souris nues injectées de façon sous-cutanée, par rapport aux DLD-1 contrôles. Ce qui suggère que p66Shc joue un rôle en tant que suppresseur de tumeur in vivo. En conclusion, nos résultats indiquent que la réexpression de p66Shc dans la lignée cellulaire humaine de cancer colorectal, soit les DLD-1, n'a pas d'impact sur l'activation de ERK et ni sur les différents processus biologiques en aval des voies MAPK. Mais le fait que p66Shc inhibe la phosphorylation de p52Shc ainsi que l'interaction entre Grb2 et p52Shc in vitro , et qu'in vivo p66Shc agirait comme suppresseur de tumeur, indique qu'il existe un rôle pour p66Shc dans le cancer colorectal. Cependant, les mécanismes sur son implication restent encore à être élucidés.

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

Le sperme est le principal vecteur de dissémination du VIH. La muqueuse colorectale exposée au sperme infecté lors de rapports anaux, aussi bien chez l’homme que chez la femme, représente le plus fort risque d’infection parmi toutes les voies de transmission sexuelle. Un nombre croissant d’études suggèrent que la transmission sexuelle du VIH via les cellules infectées présentes dans les sécrétions génitales du donneur serait plus efficace que par les particules virales libres. A ce jour, le rôle et les mécanismes de transmission des cellules infectées du sperme ont été peu étudiés. De plus, l’effet potentiel du liquide séminal (LS) sur cette transmission est mal connu. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont permis de démontrer une transmigration active et rapide: (i) de leucocytes sanguins à travers la barrière colorectale, et un effet inhibiteur du LS sur cephénomène, sans altération de la barrière épithéliale. (ii) de leucocytes séminaux. Des analyses par cytométrie de flux ont permis de mettre évidence à la fois des particularités et des similitudes quant à l’équipement protéique des cellules séminales et de leurs équivalents sanguins. Ce travail fournit de nouvelles données sur la transmission du VIH par les cellules infectées du sperme, et sur l’effet du sperme sur la transmission colorectale. La démonstration de la transmigration de leucocytes séminaux suggère que ces cellules jouent un rôle dans la transmission du VIH au niveau colorectale qui nécessite d’être pris en compte dans les stratégies de prévention. Les mécanismes en jeu et ceux responsables de l’effet du LS restent à élucider et devrait permettre à terme de dégager de nouvelles cibles thérapeutiques. / Semen is the main vector of HIV dissemination. The colorectal mucosa exposed to semen infected cells during anal intercourse, in both men and women, represents the highest risk of infection among all sexual transmission routes. An increasing number of studies suggest that sexual transmission of HIV via infected cells present in the donor's genital secretions would be more effective than free viral particles. To date, the role and transmission mechanisms of infected sperm cells have been poorly studied. Moreover, the potential effect of seminal fluid (SF) on this transmission is poorly understood. In this context, my thesis work has demonstrated an active and rapid transmigration: (i) of blood leukocytes across the colorectal barrier, and an inhibitory effect of SF on this phenomenon, without altering the epithelial barrier. (ii) of seminal leucocytes. Flow cytometry analyzes have revealed both features and similarities in the protein equipment of seminal cells and their blood equivalents. This work provides new data on HIV transmission by infected sperm cells, and on the effect of semen on colorectal transmission. Demonstration of transmigration of seminal leukocytes suggests that these cells play a rôle in colorectal HIV transmission that needs to be considered in prevention strategies. The mechanisms involved and those responsible for the effect of SF remain to be elucidated and should eventually lead to new therapeutic targets.

Le cancer colo-rectal (CCR) est, avec 36500 nouveaux cas par an, au premier rang des cancers en France. Le traitement est avant tout chirurgical et son pronostic reste sombre avec 40 % de survie à 5 ans tous stades confondus. L'apparition de métastases hépatiques (MH) constitue un facteur pronostique essentiel et représente la première cause de mortalité chez ces patients.<br />Le facteur tissulaire (FT), récepteur cellulaire du facteur VII (FVII) de la coagulation possède un rôle majeur dans l'angiogénèse et le potentiel invasif des CCR. Le FT participe à l'angiogénèse par l'intermédiaire de sa voie protéolytique (thrombine) ou directement par le complexe FT-FVIIa. Il est exprimé par les cellules tumorales coliques et sa corrélation avec la croissance tumorale colique est démontrée.<br />Nous avons analysé l'effet de l'inhibition de la voie du FT par un inhibiteur compétitif du facteur VIIa (FFR-VIIa) dans un modèle expérimental syngénique de MH induites chez le rat BDIX. Nous avons pu montrer que cette inhibition s'opposait au développement de MH lorsque le FFR-VIIa était injecté très précocement dans le processus métastatique, au stade micrométastatique. A l'inverse, lorsque le FFR-VIIa était injecté plus tardivement, au stade de macrométastases hépatiques, nous n'avons pas observé d'effet anti-tumoral. Le FFR-VIIa a également été sans effet anti-tumoral dans un modèle de tumeurs sous cutanées.<br />En conclusion, l'effet anti-tumoral du FFR-VIIa dans notre modèle pourrait être dû à une absence d'adhésion des cellules tumorales dans le foie. Nos résultats suggèrent que l'activité protéolytique du complexe FT-FVIIa est une cible thérapeutique dans le cancer du colon, mais soulève de nombreuses questions quant aux mécanismes et aux conditions d'efficacité des traitements ciblant ce complexe. D'autres mécanismes tels qu'une induction de l'apoptose dans les cellules tumorales devront être explorés. Enfin, une étude clinique visant à corréler le taux de FT circulant au stade TNM du CCR est en cours.

Le dioxyde de titane (TiO2) est un pigment blanc couramment utilisé dans l'alimentation (additif E171 en Europe). Les rares études de toxicité orale du TiO2 sont principalement basées sur des substances modèles, comme le P25 Aeroxide (NM-105). Contrairement au E171 qui est composé de particules nanométriques et sub-micrométriques, le P25 est strictement nano-dimensionné. Il est donc nécessaire d'évaluer le devenir et les effets propres de l'additif E171 dans un contexte d'exposition orale via l'alimentation. Dans ce but, des rats ont été exposés par voie orale au E171 ou au NM-105 à une dose proche de l'exposition alimentaire chez l'homme (10 mg/kg/jour) pendant une courte période d'une semaine pour les deux TiO2, par gavage gastrique quotidien, et jusqu'à une exposition sub-chronique (30 et 60 jours) et chronique (100 jours) pour le E171 via l'eau de boisson. Après un traitement de courte durée, l'élément titane est retrouvé au niveau du foie et de l'intestin, notamment au niveau des plaques de Peyer (tissu lymphoïde sentinelle de l'immunité). Dans cet organe, du titane est retrouvé dans le cytoplasme ainsi que dans le noyau des cellules immunitaires. Cependant, aucune génotoxicité du E171 comme du P25 n'est observée dans l'intestin et dans le sang avec le test des comètes après une semaine d'exposition. De même, après 100 jours d'exposition au E171, aucune génotoxicité évalué par le dosage de lésions oxydatives de l'ADN n'est constatée dans l'intestin. En conditions normales, le système immunitaire intestinal organise les défenses de l'hôte contre les pathogènes, tout en maintenant une tolérance envers le microbiote intestinal et les antigènes alimentaires. Dans notre étude, aucun des deux TiO2 n'induit d'inflammation dans la muqueuse intestinale après une semaine de traitement quotidien, alors que le réseau de cellules impliquées dans les fonctions tolérogènes de l'intestin est perturbé. De plus, le profil de sécrétion des lymphocytes est modifié dans les ganglions mésentériques et la rate, témoin d'une activation du réseau pro-inflammatoire, en particulier une réponse de type Th17 connue pour jouer un rôle dans la pathogénicité des maladies auto-immunes. Cependant, après une exposition sub-chronique de 60 jours, l'induction de la tolérance orale n'est pas affectée par l'exposition orale au E171. Toutefois, un effet potentialisateur de la réponse immunitaire est observé au niveau systémique, susceptible de résulter de propriétés " adjuvant " du produit. Enfin dans le côlon, après une exposition chronique de 100 jours, une micro-inflammation est observée dans les muqueuses exposées, ainsi qu'une initiation et une promotion du développement des lésions prénéoplasiques, (correspondant à des foyers de cryptes aberrantes, un stade précoce du développement du cancer dans le côlon), respectivement en l'absence et en présence d'une carcinogénèse chimio-induite. Nos résultats montrent un passage systémique des particules de TiO2 ainsi que l'accumulation de titane dans les cellules immunitaires de l'intestin. De plus, pour la première fois, nos données suggèrent que le E171 et le P25 sont immunomodulateurs et susceptibles de favoriser un terrain inflammatoire typique des maladies autoimmunes. Ces données peuvent être prises en considération pour l'évaluation du risque, dans la susceptibilité face à des pathologies immunitaires et au cancer colorectal, chez l'homme exposé quotidiennement au TiO2 par la voie alimentaire. / Titanium dioxide (TiO2) is a white pigment commonly used as a food additive (E171 in Europe). Few studies have evaluated the oral toxicity of TiO2, and they are mainly based on nanoparticles models such as P25 Aeroxide (NM-105). Unlike E171 which is composed of nanoscale and submicron particles, P25 is strictly nanosized. Therefore, it is necessary to determine the specific fate and effects of E171 additive in an oral exposure through food. For this purpose, rats were orally exposed with E171 or NM-105, at a dose close to dietary exposure in humans (10mg/kg/day), for a short period of a week for the two TiO2, by daily gavage, and up to a sub-chronic exposure (30 and 60 days) and chronic exposure (100 days) for E171 through drinking water. After a short-term treatment, titanium is found in the liver and gut, and more particularly in Peyer's patches (intestinal lymphoid tissue sentinel of immunity). In this organ, titanium was found in the cytoplasm and in the nucleus of immune cells. However, no genotoxicity of E171 as NM-105 is observed in the gut and in the blood with the comet assay. Also after 100 days of E171 exposure, no genotoxicity estimated by the dosage of oxidative DNA damage appears in the gut. In its steady state, the intestinal immune system organizes the defenses of the host against pathogens, while maintaining tolerance to the intestinal microbiota and the food antigens. In our study, the two TiO2 do not induce an inflammation in the intestinal mucosa after one week of daily treatment, however the network of cells involved in the tolerogenic functions of the intestine is disturbed. Furthermore, the cytokine profile of lymphocytes secretion is modified in mesenteric lymph nodes and in the spleen, reflecting an activation of the pro-inflammatory pathways, in particular the Th17 pathway response known to play a role in the pathogenesis of the autoimmune diseases. However, after a sub-chronic exposure of 60 days, the induction of the oral tolerance is not disrupted by the oral exposure to E171. However, an enhancer effect of the immune response is observed at the systemic level, susceptible to result from "adjuvant" properties of the product. Finally in the colon, after a chronic exposure of 100 days, a microinflammation is observed in the exposed mucosa. Moreover, an initiation and a promotion of the development of preneoplastic lesions are found (corresponding to aberrant crypt foci in the colon), in absence and in presence of a chemically-induced carcinogenesis, respectively. Our results show a systemic passage of the particles of TiO2 as well as the accumulation of titanium in the immune cells of the gut. Furthermore, for the first time, our data suggest that E171 and P25 are immunomodulatory and susceptible to favor a typical inflammatory field for the autoimmune diseases. These data could be considered for the evaluation of the risk, in the susceptibility towards immune pathologies and in colorectal cancer, in human daily exposed to TiO2 from dietary sources.

Le microbiote intestinal, c'est-à-dire l'ensemble des micro-organismes résidant dans l'intestin, a un impact majeur sur la santé de l'hôte. Certains d'entre eux sont notamment impliqués dans l'apparition et la progression du cancer colorectal (CCR). Le CCR est responsable de 700 000 décès par an dans le monde, ce qui en fait la quatrième cause de mortalité par cancer : un Canadien sur 13 et une Canadienne sur 16 seront touchés par le CCR au cours de leur vie. Il a été démontré que l'apparition du cancer colorectal peut être favorisée par des facteurs alimentaires, en raison de leur influence sur la composition du microbiote intestinal. En outre, l'utilisation fréquente d'antibiotiques est une source majeure de perturbation de l'écosystème intestinal. Le rôle du microbiote intestinal dans l'apparition possible et la promotion du CCR est une question dont les mécanismes ne sont encore que partiellement compris. Il a été démontré que les bactéries pathogènes se développent dans un environnement riche en fer via l’augmentation de leur virulence. Les patients atteints de CCR reçoivent souvent des suppléments de fer par voie orale pour traiter l'anémie liée au CCR, une affection très répandue dans cette population. En outre, lors de l'ablation chirurgicale du CCR, des antibiotiques oraux sont administrés pour réduire le risque d'infection, ce qui entraîne une réduction de la quantité de micro-organismes dans l'intestin. Plus généralement, une proportion importante de la population mondiale reçoit des suppléments de fer et l'utilisation d'antibiotiques est fréquente. Par conséquent, le microbiote intestinal est fréquemment soumis à des perturbations qui peuvent être délétères. L'objectif de ce travail était d'étudier le rôle du fer sur la cancérogénicité du côlon à travers l'hypothèse d'un effet médié par le microbiote intestinal. Le travail présenté démontre dans un modèle de souris, qu'en cas de supplémentation orale en fer après un traitement antibiotique, il y a une augmentation significative de 3 espèces bactériennes et de 4 fonctions microbiennes connues pour favoriser l'inflammation intestinale et/ou le CCR. En outre, il y a eu une diminution de la concentration fécale de butyrate, un produit de la fermentation microbienne, essentiel pour la santé intestinale et pour l'inhibition de la prolifération des cellules du CCR. Dans une deuxième série d'expériences, des souris ApcMin/+, un modèle murin de polypose intestinale, ont été soumises à un régime riche ou pauvre en fer. Il a été démontré que la carcinogenèse colorectale dépendait du microbiote intestinal. Plus précisément, les souris ApcMin/+ précolonisées avec le microbiote intestinal de patients atteints de CCR, mais pas avec des contrôles sains ou murin, ont montré une progression accélérée du CCR dans le groupe recevant un supplément de fer par voie orale. En particulier, les souris précolonisées avec le microbiote intestinal de patients atteints de CCR ont développé davantage de tumeurs coliques de plus grande taille, une prolifération accélérée des cellules épithéliales et des carcinomes invasifs lorsqu'elles étaient supplémentées en fer. Ces effets s'accompagnent d'une diminution unique de l'abondance des bactéries bénéfiques. Ces modifications de la composition du microbiote intestinal en réponse au fer ont entraîné des changements délétères spécifiques dans les fonctions microbiennes intestinales liées à la progression et à l'initiation du CCR, ainsi qu'une diminution de la concentration de butyrate dans les selles. De plus, afin de démontrer un lien de cause à effet entre la promotion du CCR observée lors de la supplémentation orale en fer et l'abondance réduite des espèces bactériennes bénéfiques précédemment identifiées, des souris ApcMin/+précolonisées avec le microbiote intestinal de patients atteints de CCR ont été hebdomadairement supplémentées par voie orale. Ces interventions ont permis de réduire l'effet cancérigène sur le côlon d'une supplémentation orale en fer, par rapport à des souris non supplémentées nourries avec le même régime riche en fer, via l’augmentation de la concentration fécale en acides gras à chaine courte. Enfin, ces travaux ont permis de développer un outil bio-informatique, destiné à tous les chercheurs voulant représenter et analyser les données du microbiote. Il répond au besoin de permettre aux chercheurs, même ceux qui ne sont pas formés à la bio-informatique ou à l'analyse du microbiote, de produire des représentations graphiques de la composition du microbiote. Ces graphiques sont faciles à produire, prêts à être publiés et contiennent des informations utiles pour comprendre la dynamique du microbiote. De plus, un outil statistique spécialisé dans l'analyse des variations de l'abondance des communautés microbiennes est directement inclus, et les différences sont mises en évidence dans le graphique. En résumé, nous avons démontré qu'une supplémentation orale en fer chez des modèles de souris induit un changement délétère, pro-cancérigène, de la composition et de la fonction du microbiote intestinal qui dépendent du microbiote intestinal initial. Ces changements induits par le fer conduisent à une diminution des bactéries protectrices et des métabolites bactériens, induisant une augmentation de la carcinogenèse colorectale dans le modèle de souris ApcMin/+ précolonisées avec le microbiote intestinal CCR. Enfin, des outils d'analyse et de représentation du microbiote intestinal ont été développés et rendus accessibles. / The gut microbiota, i.e. all the microorganisms residing in the gut, have a major impact on host health. In particular, some of them are implicated in the onset and progression of colorectal cancer (CRC). CRC is responsible for 700,000 deaths a year worldwide, making it the 4th leading cause of cancer mortality: one out of 13 Canadian men and one out of 16 Canadian women will be affected by CRC during their lifetime. It has been shown that the onset of CRC can be promoted by dietary factors, through their influences on the composition of the gut microbiota. Furthermore, the frequent use of antibiotics is a major source of disturbance on the intestinal ecosystem. The mechanisms by which the gut microbiota may contribute to the onset and progression of the CRC remain only partially understood. It has been shown that pathogenic bacteria thrive in an iron-rich environment by increasing their virulence. CRC patients are often given oral iron supplementation to treat the CRC-related anemia, a highly prevalent condition in this population. Moreover, when CRC is surgically removed, oral antibiotics are given to reduce the risk of infection, leading to a reduction in the amount of microorganisms within the gut. More generally, a significant proportion of the world's population receives oral iron supplementation, and antibiotic use is frequent. As a result, the gut microbiota is frequently subject to perturbations that may be deleterious. By this work, the aim was to investigate the role of iron on colonic carcinogenicity through the hypothesis of a gut microbiota mediated effect. The presented work demonstrated, in a wild-type (WT) mouse model, that in the occurrence of oral iron supplementation after antibiotic treatment, there was a significant increase in 3 bacterial species and 4 microbial functions known to promote intestinal inflammation and/or CRC. Furthermore, there was a decrease in the fecal concentration of butyrate, a product of microbial fermentation, essential for intestinal health and for the inhibition of the CRC cell proliferation. In a second set of experiments, ApcMin/+ mice, a murine model of intestinal polyposis, were subjected to an iron-rich or iron-sufficient diet. A gut microbiota-dependent response in colonic carcinogenesis was demonstrated. Specifically, ApcMin/+ mice pre-colonized with gut microbiota from CRC patients, but not with healthy controls or murine gut microbiota, showed an accelerated cancer progression among the oral iron supplementation group. In particular, the mice pre-colonized with the CRC gut microbiota developed more colonic tumors of greater size, accelerated epithelial cell proliferation and invasive carcinomas when iron supplemented. These effects were accompanied with a unique decrease in the abundance of beneficial bacteria. These gut microbiota dependant changes in gut microbiota composition in response to iron led to specific deleterious shifts in gut microbial functions related to CRC progression and initiation, as well as a decrease in fecal butyrate concentration. Moreover, in order to demonstrate a causal link between the promotion of CRC observed during oral iron supplementation and the reduced abundance of the beneficial bacterial species previously identified, pre-colonized ApcMin/+ mice with gut microbiota from CRC patients were weekly orally supplemented. These interventions were able to reduce the colonic carcinogenicity effect of oral iron supplementation, comparatively to unsupplemented mice fed the same iron rich diet, through increased fecal short-chain-fatty-acids concentrations. Finally, these works allowed to develop a bioinformatic tool, intended for all researchers looking for representing and analyzing microbiota data. It fills the gap of allowing researchers, even the one not trained on bioinformatics or microbiota analysis, to produce graphical representations of microbiota composition. These graphs are easy to produce, publication-ready, and contain information useful for understanding the dynamics of the microbiota. In addition, a statistical tool specialized in the analysis of variations in microbial community abundance is directly included, and differences are highlighted within the graph. In summary, we have demonstrated that oral iron supplementation in mice models induces a deleterious, pro-carcinogenic, shift of the gut microbiota composition and function that are gut microbiota dependant. These iron-induced changes lead to decreased of protective bacteria and bacterial metabolites, inducing an increase in colorectal carcinogenesis in the ApcMin/+ mouse model pre-colonized with CRC gut microbiota. Finally, tools for analysis and representation of the gut microbiota have been developed and made accessible.

Les cancers sont l'une des causes majeures de mortalité dans le monde. Les mécanismes en jeu dans la croissance tumorale sont qualitativement connus, mais on se sait pas à l'heure actuelle prédire précisément quel sera le développement d'une tumeur donnée, ni estimer de façon certaine le protocole thérapeutique optimal pour chaque patient. Il est entendu que la modélisation mathématique pourrait apporter des éléments de réponse à ces questions. Durant cette thèse on s'est alors intéressé à la construction de formalismes mathématiques pour décrire la croissance tumorale et l'action de traitement anti-cancéreux. En particulier, on s'est intéressé à la prise en compte des mécanismes aussi bien moléculaires que cellulaires et tissulaires, par la construction d'un modèle continu, multi-échelles, de croissance de tumeur solide et d'angiogenèse. A partir de ce modèle, nous a pu envisager de façon qualitative un protocole optimal de combinaison entre un anti-angiogénique et une chimiothérapie.Le modèle multi-échelles inclut une représentation mathématique des voies de signalisation du VEGF dont on détaille la construction.Dans une autre approche, on a considéré un modèle discret, cellule-centré, reproduisant le développement de sphéroïdes de cellules épithéliales mammaires telles qu'observées lorsque ces cellules sont cultivées in vitro. On a pu mettre en évidence les différents mécanismes cellulaires impliqués dans la morphogenèse de structures composées de cellules saines, et celles composées de cellules mutées.Ces contributions montrent l'intérêt du formalisme multi-échelles adopté pour intégrer les connaissances et données sous-jacentes à l'étude du traitement des tumeurs.

L’aluminium (Al) est le métal le plus abondant de notre environnement. Il est naturellement présent dans les sols, les roches, les minéraux, l’air, l’eau, et son utilisation pour la fabrication de produits de consommation courante n’a cessé d’augmenter de façon exponentielle dans les pays industrialisés. Durant les dernières décennies, la biodisponibilité de l’Al a fortement augmenté par l’activité humaine et les populations sont exposées quotidiennement à de multiples sources et doses d’Al, notamment par la voie orale. En se basant sur la description des effets toxiques et délétères de l’Al dans diverses pathologies ainsi que sur les doses d’Al ingérées, nous avons montré que l’Al pouvait participer à l’aggravation de l’inflammation intestinale, diminuer la cicatrisation muqueuse et le renouvellement cellulaire (Pineton de Chambrun et al., 2014).Dans le but de comprendre les mécanismes par lesquels l’Al perturbait l’épithélium intestinal, nous avons évalué la toxicité de l’Al sur la cellule épithéliale intestinale. Nous avons montré dans cette étude que l’Al diminuait la viabilité cellulaire, favorisait l’apoptose et perturbait le cycle cellulaire. L’Al avait également des effets pro-carcinogènes et pro-inflammatoires sur les cellules épithéliales intestinales. Ainsi, nous avons démontré que l’Al pouvait avoir des effets toxiques sur la muqueuse intestinale.Nous avons ensuite étudié les effets de l’Al sur la sensibilité viscérale chez le rongeur. Nous avons montré que l’ingestion d’une dose d’Al cohérente avec l’exposition humaine induisait une augmentation de la sensibilité viscérale chez le rat et la souris. Cette hypersensibilité induite par l’Al était persistante et exacerbée lors d’une nouvelle intoxication, indiquant ainsi qu’il n’y a pas de phénomène de tolérance. De plus, les femelles étaient plus affectées par l’hypersensibilité induite par l’Al que les mâles. Nous avons montré que les mécanismes impliquaient une augmentation de la perméabilité et étaient dépendants de la dégranulation des mastocytes et du récepteur aux protéases 2. Ces résultats sont pertinents avec la description des mécanismes observés dans la pathogénèse du syndrome de l’intestin irritable (SII). En effet, les malades présentent le plus souvent une hypersensibilité viscérale, une augmentation de la perméabilité intestinale, une altération du microbiote et une inflammation intestinale à bas grade. Les causes de cette maladie sont inconnues mais les facteurs environnementaux sont fortement suspectés. Ainsi, l’Al pourrait être un nouveau facteur de risque environnemental impliqué dans le développement du SII.En conclusion, ces résultats nous ont permis de démontrer la toxicité de l’Al sur le tube digestif et de mettre en avant un nouveau facteur de risque environnemental dans la physiopathologie des maladies intestinales telles que les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin et le syndrome de l’intestin irritable. / Aluminium (Al) is the most abundant metal in our environment. Al naturally occurs in soils, rocks, minerals, air, water and its use in consumer products increase exponentially in industrialized countries. During last decades, human activities led to an increase in the bioavailability of Al and populations are exposed daily to multiple sources and doses of Al, including the oral route. Based on the description of toxic and deleterious effects of Al in various pathologies as well as ingested doses of Al, we showed that Al could participate in the exacerbation of intestinal inflammation, decrease mucosal healing and cell renewal (Pineton de Chambrun et al., 2014).In order to understand the mechanisms involved in the perturbations of the intestinal epithelium, Al toxicity was evaluated on intestinal epithelial cells. This study showed that Al decrease cell viability, promote apoptosis and disturb cell cycle. Al had also pro-tumorigenic and pro-inflammatory effects on intestinal epithelial cells. Thus, we demonstrated that Al could promote toxic effects on intestinal mucosa.Then, we evaluated the effects of Al on visceral sensitivity in rodents. We have demonstrated that currently ingested amounts of Al, in humans, induced in mice and rats a dose dependent increase of colorectal sensitivity. Al-induced hypersensitivity persists over time so that intoxication was arrested, and appears again when Al intoxication resumes, dismissing any tolerance phenomenon. Moreover, female gender was more affected by Al-induced hypersensitivity than male gender. Mechanisms involved an increased permeability and were dependent on mast cell degranulation and protease activated receptor 2. These results are relevant to the mechanisms observed in the pathogenesis of irritable bowel syndrome (IBS). Indeed, patients usually exhibit visceral hypersensitivity, increased permeability, impaired microbiota and low inflammation degree of the gastrointestinal tract. Causes of the disease remain unknown but environmental factors are strongly suspected to be involved in the pathogenesis. Thus, Al could be a new environmental risk factor involved in the development of IBS.In conclusion, these results demonstrate the toxicity of Al on the digestive tract and highlight a new environmental risk factor in the physiopathology of intestinal diseases such as inflammatory bowel diseases and irritable bowel syndrome.

Les douleurs viscérales sont des douleurs diffuses et irradiantes dont le traitement est souvent problématique faute d'étiologie bien identifiée. En particulier, les douleurs abdominales observées dans les troubles fonctionnels digestifs (TFI) s'expriment en l'absence d'atteinte organique ce qui rend difficile la compréhension des mécanismes physio-pathologiques de ces troubles. Cette problématique est un enjeu de santé publique puisque les TFI, et en premier lieu le syndrome de l'intestin irritable (SII), concerneraient 20% de la population occidentale. Les études cliniques fournissent des pistes de recherche sur l'origine des troubles dans les TFI mais sont souvent insuffisantes pour décortiquer leurs mécanismes physio-pathologiques. Les modèles animaux apparaissent comme une voie alternative permettant de tester des hypothèses diverses sur l'origine des douleurs viscérales. Nous avons ainsi utilisé un modèle animal de SII développé au laboratoire, le modèle butyrate, qui se base sur des données cliniques rapportant un excès de butyrate, un acide gras à chaîne courte, dans le côlon des patients atteints de SII. Ce modèle consiste en 6 instillations intra-coliques de butyrate 200mM, réalisées sur une durée de 4 jours, qui induisent une hyper-sensibilité colique (HSC) chez le rat dès la fin des instillations. L'HSC induite par le butyrate est évaluable par le test de distension colo-rectale (DCR). Elle est persistante et ne s'accompagne pas de lésion de la muqueuse colique ce qui est en accord avec les caractéristiques cliniques du SII. Après avoir établi la pertinence du modèle butyrate pour l'étude du SII, l'équipe s'est attaché à l'étude des mécanismes par lesquels le butyrate induit une HSC. Un traitement néo-natal des rats par la capsaïcine, qui permet de détruire les fibres nociceptives de type C, empêche le développement de l'HSC induite par le butyrate chez ces rats devenus adultes. Les afférences coliques de type C transmettent donc le message douloureux viscéral induit par le butyrate. L'objectif premier de ce travail de thèse a été de déterminer par quel mécanisme le butyrate sensibilise ces afférences. Nous avons émis l'hypothèse que le nerve growth factor (NGF), une neurotrophine impliquée dans la nociception et dans les processus d'inflammation neurogène des nerfs entériques dans le SII, pourrait contribuer à la sensibilisation colique. Implication du NGF dans l'HSC Nous avons montré que l'administration répétée d'anticorps anti-NGF (voie i.p.) prévient l'HSC induite par le butyrate, évaluée lors du test de DCR. De plus, nous avons montré par immuno-histo-chimie (IHC) que le NGF est exprimé dans le côlon des rats traités avec du butyrate mais son expression n'y est pas augmentée. En revanche, le NGF est sur-exprimé dans les ganglions rachidiens dorsaux (GRD) innervant le côlon. Ces résultats indiquent que le NGF est impliqué dans l'HSC induite par le butyrate et que son action pourrait s'exercer principalement au niveau du système nerveux périphérique (GRD). En effet, le NGF est impliqué dans le développement des phénomènes d'hyperalgie en induisant l'expression de molécules jouant un rôle clé dans la nociception comme les canaux ioniques. Notre attention s'est portée sur les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) et le transient receptor potential vannilloid1 (TRPV1) car de nombreuses études ont montré l'implication de ces canaux dans les douleurs viscérales et leur modulation par le NGF. Implication des canaux ASIC dans l'HSC Nous avons montré que l'administration d'amiloride (antagoniste des canaux ASIC, voie i.v.) mais pas celle de capsazepine (antagoniste du TRPV1, voie i.p.) prévient l'HSC induite par le butyrate, évaluée lors du test de DCR. L'HSC induite par le butyrate implique donc un mécanisme dépendant des ASIC mais pas de TRPV1. De plus, nous avons montré par RT-PCR semi-quantitative que le niveau d'expression des ARNm des gènes codant les sous-unités ASIC1A et ASIC1B est augmentée dans les GRD des rats butyrate. L'augmentation du niveau d'expression des ARNm a été corrélée à une augmentation de l'expression de la protéine ASIC1A dans les GRD, quantifiée par IHC. En déterminant la proportion de neurones immuno-réactifs (IR) à la protéine ASIC1A, nous avons montré que sa sur-expression est restreinte aux neurones de petit diamètre. Ces résultats montrent que le canal ASIC1A est impliqué dans l'HSC induite par le butyrate. Nous avons ensuite voulu savoir si, en accord avec la bibliographie, la sur-expression de ASIC1A pouvait être la conséquence de celle du NGF. Modulation de l'expression de ASIC1A par le NGF dans l'HSC Nous avons tout d'abord montré par microscopie confocale que le NGF et son récepteur de haute affinité (trkA) sont colocalisés avec ASIC1A dans les neurones sensoriels et en particulier dans ceux exprimant le calcitonin gene-related peptide. Nous avons ensuite montré par IHC et par Western blot que la sur-expression de ASIC1A dans les GRD est prévenue par le blocage du NGF grâce à l'administration répétée d'anticorps anti-NGF (voie i.p.). Ces résultats indiquent que la sur-expression de ASIC1A dans l'HSC induite par le butyrate est dépendante du NGF. Nous pouvons conclure que le NGF et le canal ASIC1A interviennent dans les GRD (et probablement dans les neurones sensoriels de type nociceptif) où ils participent aux phénomènes de sensibilisation concourant au développement de l'HSC induite par le butyrate. Nous ne rapportons pas de variation d'expression du NGF ou de ASIC1A au niveau colique. Ce résultat suggère que la mise en jeu de ces molécules ne se fait pas au niveau des terminaisons libres coliques mais plutôt dans l'élément pré-synaptique de la première synapse nociceptive centrale où elles pourraient amplifier l'activité synaptique médullaire. Nous avons ainsi émis l'hypothèse que l'HSC induite par le butyrate est associée à une sensibilisation centrale de la moëlle épinière (MEp). Sensibilisation centrale dans l'HSC Nous avons utilisé la méthodologie Fos, un marqueur de l'activité neuronale, afin d'évaluer l'état d'excitation de la MEp chez les rats butyrate. L'étude de l'expression spinale de la protéine Fos chez les rats soumis à une DCR nocive répétée a montré que les rats traités avec du butyrate présentent une densité de neurones Fos-IR augmentée par rapport aux rats contrôles dans les couches superficielles de la corne dorsale de la MEp. L'HSC induite par le butyrate s'accompagne spécifiquement du recrutement des segments thoraciques T10-T11-T12 de la MEp dans lesquels nous avons observé une une hyper-réactivité neuronale en réponse à la DCR. De plus, en l'absence de stimulation colique, les rats butyrate présentent hyper-activité basale dans les segments T10-T11-T12. Comme le canal ASIC1A spinal participe aux courants provoqués par un stimulus douloureux, nous avons ensuite voulu savoir si cette hyper-activité de la MEp pouvait être la conséquence d'une transmission synaptique accrue impliquant ASIC1A. Nous avons montré que l'administration de PcTx1 (antagoniste des canaux ASIC1A, voie i.t.) prévient l'HSC induite par le butyrate, évaluée lors du test de DCR. Ce résultat indique que les canaux ASIC1A participent aux mécanismes centraux de l'HSC dans le modèle butyrate. Nous avons également montré par RT-PCR et Western blot que le canal ASIC1A est sur-exprimé dans la MEp des rats butyrate. De plus, il est exprimé dans les neurones spinaux activés par la DCR où il est co-localisé avec Fos. ASIC1A pourrait donc participer à la transmission du message nociceptif viscéral dans la corne dorsale de la MEp. L'expression des ARNm codant les sous-unités ASIC2A et ASIC2B a également été trouvée augmentée dans la MEp par RT-PCR ce qui suggère que l'hyper-excitabilité spinale observée dans le modèle butyrate pourrait résulter d'une augmentation des conductances ioniques générées par l'activation des canaux hétéromériques de type ASIC1/ASIC2. Tout comme à la périphérie, la sur-expression de ASIC1A pourrait être sous dépendance du NGF. Nos résultats montrent en effet que le NGF est exprimé dans la MEp et que l'administration systémique répétée d'anticorps anti-NGF prévient la sur-expression des ARNm et de la protéine ASIC1A dans la MEp des rats traités avec du butyrate. En conclusion, ce travail de thèse suggère que le NGF et le canal ASIC1A jouent un rôle critique dans le développement de douleurs viscérales en contribuant à la fois aux phénomènes de sensibilisations périphérique et centrale. La meilleure compréhension des mécanismes d'interaction ASIC-NGF dans l'HSC pourrait donc ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement des douleurs viscérales d'étiologie inconnue comme le SII en se basant sur des stratégies visant à diminuer l'effet potentialisateur du NGF sur les ASIC.

Les cancers sont l’une des causes majeures de mortalité dans le monde. Les mécanismes en jeu dans la croissance tumorale sont qualitativement connus, mais on se sait pas à l’heure actuelle prédire précisément quel sera le développement d’une tumeur donnée, ni estimer de façon certaine le protocole thérapeutique optimal pour chaque patient. Il est entendu que la modélisation mathématique pourrait apporter des éléments de réponse à ces questions. Durant cette thèse on s'est alors intéressé à la construction de formalismes mathématiques pour décrire la croissance tumorale et l’action de traitement anti-cancéreux. En particulier, on s'est intéressé à la prise en compte des mécanismes aussi bien moléculaires que cellulaires et tissulaires, par la construction d’un modèle continu, multi-échelles, de croissance de tumeur solide et d’angiogenèse. A partir de ce modèle, nous a pu envisager de façon qualitative un protocole optimal de combinaison entre un anti-angiogénique et une chimiothérapie.Le modèle multi-échelles inclut une représentation mathématique des voies de signalisation du VEGF dont on détaille la construction.Dans une autre approche, on a considéré un modèle discret, cellule-centré, reproduisant le développement de sphéroïdes de cellules épithéliales mammaires telles qu’observées lorsque ces cellules sont cultivées in vitro. On a pu mettre en évidence les différents mécanismes cellulaires impliqués dans la morphogenèse de structures composées de cellules saines, et celles composées de cellules mutées.Ces contributions montrent l’intérêt du formalisme multi-échelles adopté pour intégrer les connaissances et données sous-jacentes à l’étude du traitement des tumeurs. / Cancer is one of the leading causes of death in Europe. The mechanisms involved in tumour growth are qualitatively known, but we are still unable to precisely predict how a given tumour will evolve, nor estimate with certainty the optimal therapeutic protocol for each patient.It is well understood that mathematical modelling could give part of the answer to these questions. That is why during this thesis we considered the building of mathematical formalisms to describe tumour growth and the action of anti-cancer treatments. In particular, we investigated the molecular to tissular mechanisms of cancer development and angiogenesis through the building of a continuous multi-scale model. We were able to reproduce the effect of anti- angiogenesis treatments on tumour growth, and qualitatively study an optimal therapeutic protocol of anti-angiogenic combined with cytotoxic drugs. This multi-scale model integrates a mathematical representation of the signalling pathways of VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor). We detail the development of this model which is based solely on information available in the literature and dedicated databases. In another approach, we considered a discrete, cell-based model to reproduce the development of spheroid structures of mammary epithelial cells. This model considers the behaviour of these cells when observed while grown in vitro in an appropriate medium. We were able to highlight the different mechanisms involved in the morphogenesis of wild and mutated cells structures.This work shows the importance of the multi-scale formalism we used to integrate the knowledge and data related to the study of cancer treatment.