La cécité cornéenne touche 12,7 millions personnes globalement. Il y a une pénurie des cornées de donneurs humains (CDH), et donc les tissues disponibles sont implanté préférentiellement dans les patients avec des troubles cornéens à faible risque comme le kératocône et la dystrophie endothéliale de Fuchs. Les patients qui ont un risque élevé d’inflammation, comme ceux avec des brûlures acides, alcalines et thermiques, des infections et des ulcères, ne reçoivent pas de greffes pour leurs maladies cornéennes. Les biomatériaux offrent une alternative aux CDH en permettant le développement de solutions de régénération cornéenne avec une longue durée de conservation, une thermostabilité pour un déploiement en zone rurale, et biocompatibilité chez les patients à haut risque. Les biomatériaux peuvent être développés sous forme d’implants cornéens solides à greffer dans des opacités cornéennes ou sous forme de liquides gélifiants injectables qui peuvent sceller des petites perforations cornéennes. Les implants cornéens solides conviennent aux chirurgiens ophtalmologiques, mais les produits de comblement liquides peuvent être utilisés par les prestataires de médecine d’urgence ou le personnel médical non spécialisé dans les zones où les chirurgiens ophtalmologistes ne sont pas disponibles. Cette thèse explore les formulations de biomatériaux pour les cornéens solides et gélifiants in situ, leurs performances en tant que dispositifs composites, l’ajout de la stérilisation terminale à la fabrication d’implants cornéens solides et le développement de futures protéines mimétiques du collagène pour la formulation d’hydrogel. Le premier objectif de cette thèse était de développer un implant cornéen solide adapté à l’implantation chez les patients cornéens à haut risque. Les implants cornéens peptide-mimant-le-collagène-polyéthylène glycol-phosphorylcholine (PMC-PEG-MPC) et les implants recombinants de collagène humain de type III-phosphorylcholine (RCHIII-MPC) ont réussi à régénérer les cornées de mini-porcs et de lapins, respectivement. La phosphorylcholine présente dans la formulation PMC-PEG-MPC a diminué l’inflammation et fourni une alternative cornéenne viable dans les brûlures alcalines à haut risque. Des nanoparticules d’argent coiffées de peptides étaient fabriquées avec succès à la surface d’un implant cornéen solide de collagène porcin de type I. Ces implants ont inhibé P. aeruginosa, S. aureus et S. epidermidis in vitro et empêché la formation de biofilm à l’interface air-liquide. Ces implants cornéens solides élargissent la gamme d’efficacité pour inclure les personnes souffrant de brûlures alcalines et d’infections. Finalement, on a validé une méthode de stérilisation terminale des implants cornéens solides. Le RCHIII-MPC a été stérilisé en phase terminale avec succès à l’aide d’une irradiation par faisceau d’électrons, offrant une future voie pour la stérilisation terminale des implants cornéens solides à base de biomatériaux. Le deuxième objectif était de concevoir un hydrogel qui se solidifierait in situ pour sceller les perforations cornéennes. Le PMC-PEG était combiné avec du fibrinogène pour former “LiQD Cornea”, le premier produit de comblement cornéen liquide à être chimiquement réticulé avec succès in situ pour sceller les perforations cornéennes et les plaies chirurgicales chez le lapin et les mini-porcs. Pour le troisième objectif, ce projet fournit également une méthodologie future pour la production de protéines mimétiques de collagène personnalisées pour les futures formulations d’hydrogel. Dans l’ensemble, le collagène et les biomatériaux inspirés du collagène se sont révélés être des greffes et des scellants cornéens prometteurs avec des voies viables de fabrication commerciale. / Corneal blindness and opacities affect 12.7 million people globally. There is a shortage of human donor corneas (HDCs), which are prioritized for patients with low risk corneal disorders like keratoconus and Fuch’s endothelial dystrophy. Patients with high-risk inflammatory conditions like acid, alklai and thermal burns, infections and ulcers are often unable to receive transplants to treat their corneal disorders. Biomaterials provide an alternative to HDCs by allowing the development of corneal regenerative solutions with a long-shelf life, thermostability for deployment in rural areas and biocompatibility in high-risk patients. Biomaterials can be developed as solid corneal implants to graft into large corneal opacities or as injectable in situ gelling liquids that can seal small corneal perforations. Solid corneal implants are suited for use by ophthalmic surgeons, but liquid fillers can be used by emergency medicine providers or non-specialized medical personnel in areas where ophthalmic surgeons are not available. This thesis explores biomaterials formulations for solid and in situ gelling corneal biomaterials, their performance as composite devices, the addition of terminal sterilization to the manufacture of solid corneal implants, and the development of future collagen mimetic proteins for hydrogel formulations. The first objective of this thesis was to develop a solid corneal implant suitable for implantation in high-risk corneal patients. Collagen-like-peptide-polyethylene glycolphosphorylcholine (CLP-PEG-MPC) corneal implants and recombinant human collagen type III-phosphorylcholine implants were successful in regenerating the corneas of mini-pigs and rabbits, respectively. The phosphorylcholine present in the CLP-PEG-MPC formulation decreased inflammation and provided a viable corneal alternative in high-risk alkali burns. Peptide-capped nanoparticles were successfully fabricated on the surface of a porcine and S. epidermidis in vitro and prevented biofilm formation at the air-liquid interface. These solid corneal implants expand the range of efficacy to include individuals with alkali burns and infections. This thesis validated a method of terminal sterilization for solid corneal implants. RHCIII-MPC was successfully terminally sterilized using electron-beam irradiation, providing a future avenue for terminal sterilization of biomaterials-based solid corneal implants. The second objective was to design a hydrogel that will solidify in situ to seal corneal perforations. CLP-PEG was combined with fibrinogen to form LiQD Cornea, the first liquid corneal filler to be successfully chemically crosslinked in situ to seal corneal perforations and surgical wounds in rabbit and mini-pigs. For the third objective, this project also provides future methodology for the production of custom collagen mimetic proteins for future hydrogel formulations. Overall, collagen and collagen-inspired biomaterials were demonstrated to be promising corneal grafts and sealants with viable pathways to commercial manufacture.

Contexte: Les cellules endothéliales cornéennes humaines (CECH) peuvent adopter un phénotype fibroblastique en culture, les rendant inutilisables en génie tissulaire de la cornée. Le facteur de croissance transformant β (TGF-β) serait impliqué dans ce phénomène, mais il est aussi connu pour maintenir les CECH en état de quiescence in vivo. Objectifs: Comparer l’effet du TGF-β1 sur le phénotype des CECH lors des phases de prolifération ou de maturation des cultures et optimiser les conditions de culture des CECH. Méthodes: Des CECH ont été cultivées en présence ou non de TGF-β1 et de facteur de croissance épidermal (EGF) dans une culture à deux phases. La morphologie, l’expression de marqueurs de fonctionnalité, la résistance trans-endothéliale et la perméabilité des cultures ont été analysées à l’approche de la confluence (phase de prolifération) et suivant la phase de maturation post-confluence. Résultats: L’ajout de TGF-β1 lors de la prolifération a généré des CECH fibroblastiques et la perte des marqueurs de jonctions cellulaires, indépendamment de la présence d’EGF. En phase de maturation, les CECH présentaient un phénotype endothélial et des jonctions cellulaires fonctionnelles. Elles avaient une forte résistance trans-endothéliale et une faible perméabilité. Les résultats démontrent que le TGF-β1 favorise la formation d’une barrière endothéliale semi-perméable lors de la maturation des cultures de CECH, se rapprochant ainsi de l’état physiologique des CECH in vivo. / Background: Human corneal endothelial cells (HCEC) easily become fibroblastic when cultured, rendering them unsuitable for tissue engineering of the cornea. Transforming growth factor β (TGF-β) could be a key factor in this phenomenon; however, it is also known to maintain the endothelium in a quiescent state in vivo. Purpose: To compare the effects of TGF-β1 on HCEC’s phenotype during either the proliferation or the maturation phase of the cultures and optimize culture conditions for HCECs. Morphology, functionality markers, trans-endothelial resistance and permeability of the cultures were analyzed at confluency (proliferation phase) and after the post-confluence maturation phase. Results: Adding TGF-β1 during proliferation produced fibroblastic HCECs and loss of the cell junction’s markers, independently from the presence of EGF. On contrast, during the maturation phase, HCECs had an endothelial phenotype and functional cell junctions. They produced a high trans-endothelial resistance and a low permeability. Overall, results show that TGF-β1 promotes formation of a typical leaky endothelial barrier during the maturation phase of cultured HCECs, thus approaching the physiological properties of in vivo HCECs.

L'œil est un organe complexe quotidiennement exposé au rayonnement électromagnétique ambiant. Les fonctions sensorielles uniques qu'il assure nécessitent l'acheminement spécifique d'une portion de ce rayonnement, la lumière, jusqu'à la rétine tapissant son fond. À cette fin, le chemin optique est constitué de différents tissus caractérisés par leur remarquable capacité à absorber ou transmettre des longueurs d'onde définies. L'absorption de longueurs fortement énergétiques s'accompagne néanmoins d'un risque de toxicité susceptible de compromettre l'intégrité et la santé des tissus absorbants. Tel est notamment le cas des rayons ultraviolets de type B ou UVB (rayons les plus énergétiques atteignant la surface oculaire en conditions normales). Les effets dommageables des UVB ont été documentés et découlent principalement de processus photochimiques directs. Il est de plus en plus reconnu que deux autres domaines du spectre électromagnétique ambiant, les UVA et la lumière bleue visible à haute énergie (HEV), disposent d'un potentiel significatif de toxicité pour les tissus oculaires. Toutefois, les fondements de cette nocivité sont mal compris. Les UVA, absorbés par la cornée et le cristallin, et la lumière HEV, absorbée au niveau de la rétine, se démarquent par une grande capacité à causer un stress oxydatif, à travers des processus indirects largement dépendants de la présence d'oxygène et de photosensibilisateurs adéquats dans les tissus absorbants. Plusieurs évidences lient leur toxicité à ce stress oxydatif, mais les événements moléculaires sous-tendant ce lien restent à définir. L'objectif global des travaux présentés dans cette thèse était donc d'identifier les déterminants de la toxicité tissulaire reliés à l'effet pro-oxydant de ces rayons. Bien que majoritairement absorbés par le cristallin, la cornée filtre une portion significative des rayons UVA parvenant à la surface oculaire et les conséquences de cette filtration sont très peu documentées. Le premier volet de nos travaux s'est donc penché sur les conséquences précoces d'une exposition de la cornée à ces rayons. L'exposition d'yeux de lapins aux UVA a permis de confirmer que ceux-ci induisent de nombreux phénomènes d'oxydation tout le long du tissu cornéen. Nous avons décrit les altérations moléculaires immédiates causées par ces phénomènes et leur profil de distribution à travers les trois couches cellulaires cornéennes (épithélium, stroma et endothélium). Nous avons ainsi déterminé que dans sa configuration native, la sensibilité aux dommages et la réponse de la cornée aux UVA ne sont pas uniformes d'une région à l'autre du tissu. Par exemple, alors que l'épithélium subit d'importantes altérations moléculaires en réponse à l'exposition, ses cellules limitent efficacement les manifestations immédiates de la toxicité des UVA par des mécanismes compensatoires. En contraste, l'endothélium à la surface postérieure de la cornée, présente une grande susceptibilité à une toxicité immédiate, et l'oxydation induite par une exposition prolongée aux UVA pose un risque particulier pour sa santé. Le second volet visait à déterminer les mécanismes cellulaires mis en œuvre dans l'action toxique de la lumière HEV. Les données disponibles sur la toxicité oculaire de ce rayonnement montrent que celle-ci touche principalement l'épithélium pigmenté de la rétine (EPR) et repose sur une accumulation de photosensibilisateurs endogènes dans ce tissu avec l'âge. Nous avons toutefois identifié un photosensibilisateur exogène de la lumière HEV susceptible de s'accumuler dans l'EPR, l'indénopyrène (IcdP), un hydrocarbure aromatique polycyclique abondant dans la fumée de tabac. Par l'exposition de cellules d'EPR humain à l'IcdP et/ou la lumière HEV, nous avons mis en évidence une synergie toxique émanant de leur interaction. L'IcdP devient au moins 3000 fois plus cytotoxique en présence de doses sous-létales de lumière HEV, causant un stress oxydatif, des altérations structurelles et une mort cellulaire rappelant les événements dégénératifs observés dans la dégénérescence maculaire liée à l'âge (première cause de cécité chez les personnes âgées). L'étude des mécanismes derrière cette synergie révèle que l'interaction IcdP-lumière HEV induit une perte du contrôle synchrone des phases assurant le métabolisme normal du xénobiotique dans l'EPR, ce qui semble précipiter le déclin cellulaire. Nos travaux ouvrent la perspective que la toxicité de la lumière HEV pour l'EPR soit significativement modulée, entre autres, par le style de vie des individus et la pollution environnementale. En évaluant leur toxicité sous des angles nouveaux, cette thèse démontre que le caractère nocif des rayons UVA et de la lumière HEV pour les tissus oculaires est largement sous-estimé. / The eye, a complex organ, faces the ambient electromagnetic spectrum on a daily basis. Its unique sensory functions require the specific delivery of light, a small portion of that spectrum, to the retina, the inside lining of eye fundus. To achieve such specificity, the optical path is made up of different tissues, each showing a remarkable ability to absorb or transmit precise wavelengths. However, high energy wavelengths absorption is associated with a risk of toxicity, which might threaten the integrity of absorbing tissues. This is particularly true for ultraviolet B or UVB (most energetic naturally occurring radiation that reach the ocular surface). UVB deleterious effects have been documented and mainly arise from direct photochemical processes. There is now a growing consensus that UVA and high energy visible blue light (HEV), the wavelengths adjacent to UVB in the spectrum, hold a significant potential for ocular toxicity. However, the basis for such toxicity is poorly understood. UVA rays are absorbed by the cornea and the lens, while HEV light is absorbed by the retina. Both spectral regions are characterized by a strong ability to promote oxidative stress in target tissues through indirect oxygen-dependent processes that rely on the presence of specific photosensitizers in tissues. Several data show that oxidative stress correlates with the toxic effects induced by eye exposure to UVA or HEV light, but the molecular events underlying such correlation remain to be clarified. The overall goal of the work presented in this thesis was therefore to identify key oxidation-related determinants of UVA and HEV light toxicity for ocular tissues. Even if the lens absorbs the majority of UVA rays reaching the ocular surface, the cornea also filters out a significant part of these wavelengths, and there is very little information on the repercussion for the cornea. In the first section of my thesis, we thus sought to determine the early consequences of cornea exposure to UVA. Using UVA-irradiated rabbit eyes as a model, we confirmed the induction of numerous oxidation reactions through corneal entire thickness. We reported oxidatively generated molecular changes occurring in the cornea very shortly after exposure and we described their distribution within the three corneal cellular layers (epithelium, stroma and endothelium). We provide evidence that in corneal native conformation, damage susceptibility and responsiveness to UVA-induced oxidation vary from one layer to another. For example, while corneal epithelial cells are subjected to important modifications in response to UVA exposure, they efficiently limit the early manifestations of UVA-induced toxicity by using compensatory mechanisms. On the other hand, the endothelium, the posterior portion of the cornea, is more susceptible to UVA-induced immediate toxicity. Oxidation resulting from extended exposure of the cornea to UVA is therefore expected to pose a hazard to corneal endothelium integrity. The second section of my thesis aimed to define cellular mechanisms involved in HEV light toxic action. Available data in the literature show that HEV light ocular toxicity primarily affects retinal pigment epithelium (RPE) and relies on the age-related accumulation of endogenous photosensitizers in RPE cells. However, we have identified an exogenous HEV light photosensitizer, indenopyrene (IcdP), an important tobacco smoke derived polycyclic aromatic hydrocarbon, which may accumulate in RPE. Using IcdP and/or HEV light-exposed human RPE cells as a model, we highlighted a toxic synergy between IcdP and HEV light. IcdP is at least 3000 times more toxic for RPE cells when irradiated with sub-lethal amounts of HEV light. It then promotes degenerative changes comparable to those observable in age-related macular degeneration (the leading cause of irreversible vision loss among elderly people). These changes include oxidative stress, structural defects and apoptotic cell death. A study of the molecular processes underlying this synergy reveals that IcdP HEV light interaction results in loss of the tight coupling required between the two metabolic phases ensuring IcdP efficient detoxification in RPE. Such loss seems to precipitate cell deterioration. Our work raises the prospect that HEV light toxicity for RPE is significantly modulated, among other things, by lifestyle and environmental pollution. This thesis, addressing UVA and HEV light ocular toxicity from a new perspective, proves that their harmful nature in ocular tissues is largely underestimated

Le stress oxydatif peut provenir de sources exogènes comme les UVA ou de sources endogènes comme la chaîne respiratoire (OXPHOS). L'oxydation des composants cellulaires a été associée avec la dégénération, des phénotypes de vieillissement et des pertes de fonctionnalités des tissus. Les UVA sont les plus efficaces des rayons UV à induire de l’oxydation, tel que démontré par la formation de dommages oxydatifs à l'ADN et par l'apparition de délétions mitochondriales qui en résultent. La délétion mitochondriale de 4977 pb (ADNmtCD4977), la plus commune, et celle de 3895 pb (ADNmt3895) sont deux délétions reliées au photovieillissement cutané et à l'exposition au stress oxydant. Le phénomène de vieillissement dans la peau est bien documenté et se traduit par une dégradation de la matrice extracellulaire, une perte d'élasticité et la formation de rides. Toutefois, peu d'études portent sur la cornée humaine alors qu'elle est un tissu exposé directement aux rayonnements UV au même titre que la peau. Nous avons donc tenté mieux comprendre l'effet de l'oxydation exogène et endogène sur cette structure. L'analyse de la localisation des délétions ADNmtCD4977 et ADNmtCD4977 dans l'oeil humain a permis de révéler qu'elles se concentrent principalement dans le stroma cornéen et s'accumule avec l'âge. Le stroma cornéen est la couche cellulaire qui confère la transparence et la rigidité à la cornée humaine. Ces résultats nous ont suggéré une implication des UVA dans le photovieillissement de la cornée. Nous avons donc entrepris de vérifier les changements liés à l'exposition aux UVA dans le stroma cornéen puisque les UVA sont connus pour causer des altérations à la matrice extracellulaire (ECM) au niveau cutané. Nous avons donc créé un modèle de photovieillisement par une exposition chronique aux UVA sur des kératocytes avec lesquels nous avons fait sécréter une ECM. Nos résultats nous ont démontré qu'une exposition chronique aux UVA cause des altérations à l'ECM cornéen semblable à des phénotypes de photvieillissement. En effet, nous avons dénoté des changements transcriptomiques et protéomiques pour certains collagènes et protéoglycans. Une atteinte aux collagènes par le vieillissement cornéen se traduit entre autres par une rigidification, une opacification et un changement dans son pouvoir réfractif qui mène à une perte de la vision. Par ailleurs, notre avons également investigué l'implication du stress oxydatif dans la dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD), une maladie dégénérative de l'endothélium cornéen, qui mène à une perte de vision et est une cause principale de greffe cornéenne. L'étiologie de la maladie est encore inconnue, mais le stress oxydatif est soupçonné de jouer un rôle important dans la pathogenèse. Nos résultats ont amené de nouvelles évidences de l'implication de l'oxydation dans la maladie par l'augmentation de la quantité d'ADN mitochondrial et un raccourcissement des télomères dans des explants de cornées pathologiques. Nos résultats nous ont également démontré que la mise en culture de cellules FECD permettait la sélection de cellules fonctionnelles et comparables à des cellules saines en termes de quantité d'ADN mitochondrial et de son intégrité, de sensibilité à l'oxydation et de longueur télomérique. Les résultats obtenus soutiennent ainsi la possibilité d'employer les cellules FECD fonctionnelles sélectionnées pour utilisation en génie tissulaire afin de créer des cornées autologues pour pallier aux manques de greffes cornéennes. Enfin, nos résultats apportent de nouvelles évidences quant à l'implication du stress oxydatif dans le photovieillissement cornéen et dans l'étiologie de la FECD. / Oxidative stress can arise from exogenous sources like UVA or endogenous source like the respiratory chain (OXPHOS). Oxidation of cellular components is associated with degenerative disease, aging phenotypes and loss of tissue functions. UVA is the most efficient components of UV light to induce oxidation, like it have been shown by the formation of oxidative damage on DNA and the appearance of resulting mitochondrial deletions. The mitochondrial deletion of 4977 bp (mtDNACD4977), the most common, and the 3895 bp (mtDNA3895) are both connected to skin photoaging and exposition to oxidative stress. Skin photoaging is well documented and is portrayed by a degradation of the extracellular matrix, a loss of elasticity and formation of wrinkles. However, few studies have been done on the human cornea even if this structure is directly exposed to UV light like the skin. Thus, we have tried to understand the effect of exogenous and endogenous oxidative stress on this eye structure. Analysis of mtDNACD4977 and mtDNA3895 in the human eye has shown that these deletions are localized in the corneal stroma and accumulate with age. The corneal stroma is the cellular layer conferring transparency and rigidity to the human cornea. Our results have suggested that UVA is implicated in the photoaging of the cornea. Thus, we checked for changes linked to UVA exposure in the corneal stroma since UVA are known to cause alteration to the extracellular matrix (ECM). Thereby, we created a photoaging model by exposing keratocytes to chronic UVA doses and then making them secrete an ECM. Our results have shown that chronic UVA exposure causes changes similar to photoaging phenotypes. We noted changes in the transcriptomic and proteomic expression of collagen and proteoglycans. Alteration to collagens composition by aging leads to corneal rigidity, cloudening and a loss of refractive power of the cornea, which can result in a loss of vision. On the other hand, we also investigated the implication of oxidative stress in the Fuch’s Endothelial Corneal Dystrophy, a degenerative disease of the corneal endothelium, which leads to a vision loss and is the leading cause of corneal transplantation. The etiology of the disease is not well known, but oxidative stress is suspected of playing an important role in the pathogenesis. Our results have shown new evidences of oxidative stress in the pathology by displaying an increase in mitochondrial DNA and a telomeric shortening in cells from corneal explants. Our results have also shown that using cell culture on FECD cells can allow the selection of functional cells that can compare to healthy cells terms of mitochondrial amount and integrity, sensitivity to oxidation and telomere length. Our results support the fact that functional FECD cells could be used to create autologous cornea by tissue engineering to solve the lack of corneal graft. Thus, our findings bring new evidences to the implication of oxidative stress in corneal photoaging and in the etiology of FECD.

La PARP-1 est une enzyme nucléaire qui modifie de façon post-traductionnelle plusieurs protéines nucléaires via son activité de poly(ADP-ribosyl)ation, souvent en réponse aux bris de l'ADN. Elle est ainsi impliquée dans plusieurs fonctions cellulaires vitales, incluant la réparation de l'ADN, la prolifération, la différenciation ainsi que la transcription de l'ADN pour n'en nommer que quelques- unes. Les promoteurs humains, de rat, de souris et de Drosophile du gène de la PARP-1 ont été clones et démontrent une structure commune aux gènes constitutifs (housekeeping). La transcription du gène de la PARP-1 est en partie régulée positivement par les facteurs de transcription Sp1 et Sp3 et négativement par le facteur de transcription NFI. Nous avons récemment démontré que les niveaux d'expression de la PARP-1, Sp1 et Sp3 sont fortement modulés par l'état de la densité et de la différenciation cellulaire chez des cultures primaires de cellules épithéliales de cornée de lapin (CECL). Par conséquent, la PARP-1 pourrait jouer un rôle durant la cicatrisation cornéenne puisqu'elle est fortement influencée durant les événements de migration, prolifération et différenciation qui caractérisent ce phénomène. La PARP-1 joue un rôle d'autant plus spécifique durant la cicatrisation cornéenne. En plus d'être influencée par la densité et la différenciation cellulaire, son expression est également fortement influencée par la présence de la fibronectine (FN). La FN, une protéine de la matrice extracellulaire, est sécrétée de façon massive durant la cicatrisation de l'épithélium cornéen. Considérant la relation étroite qui existe entre l'expression de la PARP-1 et de Sp1, nous avons également envisagé la possibilité que Sp1 soit une cible potentielle de la poly(ADP-ribosyl)ation par la PARP-1. PARP-1 pourrait ainsi réguler la transcription de son propre gène. En conclusion, notre étude a démontrée par quels mécanismes moléculaires la PARP joue son rôle durant la cicatrisation de l'épithélium cornéen. La PARP-1 pourrait ainsi constituer un modérateur de l'expression génique durant la phase hautement prolifique qui caractérise la cicatrisation cornéenne. / Poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) is a nuclear enzyme that post-translationally modifies a variety of proteins through its poly(ADP-ribosyl)ation activity in response to DNA strand break. PARP-1 is thus involved in several vital cellular functions such as DNA repair, cell proliferation and differentiation as well as DNA transcription. The promoter from the human, rat, mouse and Drosophila PARP-1 genes have been identified and cloned. Each of them has a structure common to housekeeping genes. PARP-1 gene transcription is positively regulated by the positive transcription factors Sp1 and Sp3 whereas it is repressed by members of the nuclear factor-l (NFI) family of transcription factors. We recently demonstrated that PARP-1, Sp1 and Sp3 expression was similarly influenced by both cell density and cell differentiation in primary cultures of rabbit corneal epithelial cells (RCECs). Because it may influence the migration, proliferation and differentiation properties of the epithelial cells from the cornea, PARP-1 may therefore play a significant function during corneal wound healing as well. We recently demonstrated that fibronectin, a major component from the extracellular matrix that is transitorily expressed during corneal wound healing, positively influenced the expression and DNA binding of Sp1 in RCECs. Similarly, PARP-1 gene expression strongly responded (positively) to the presence of FN in tissue culture plates, a further evidence that link PARP-1 expression to corneal wound healing as FN is massively secreted during that process. Moreover, and considering the close relationship between PARP-1 and Sp1 expression, we hypothesized that Sp1 could represent a potential targetfor poly(ADP-ribosyl)ation by PARP-1 and thereby alter its overall regulatory influence. We indeed demonstrated that Sp1 could be added polymers of ADPribose by PARP-1, a post-translational modification that also resulted in restricting the positive regulatory influence Sp1 might exert on its downstream target genes. In conclusion, PARP-1 indeed seems to be a potent regulator of gene expression during the highly proliferative phase that characterizes corneal wound healing.

Les cellules endothéliales cornéennes constituent un tissu à la fois extrêmement particulier et d'une importance singulière. En effet, celui-ci est pourvu d'une capacité régénératrice pratiquement nulle, mais son intégrité est essentielle à la transparence cornéenne et donc à la vision. Par contre, l'endothélium cornéen fait défaut dans diverses pathologies telles que la dystrophie de Fuch et la kératopathie bulleuse du pseudophaque. La méthode traditionnelle pour le remplacement d'un endothélium cornéen pathologique est la greffe de cornée pleine épaisseur. Par contre, la greffe lamellaire postérieure est une alternative chirurgicale en plein essor, très intéressante, puisqu'elle permet de remplacer seulement la portion malade de la cornée. Cette technique chirurgicale a ouvert la porte à une nouvelle possibilité au niveau du génie tissulaire. En effet, il est maintenant envisageable de greffer un endothélium produit en laboratoire. Un défi supplémentaire, que s'est imposé notre équipe, est de reconstruire non seulement un endothélium complet, mais d'en reconstruire un qui serait également autologue, l'immunogénicité jouant un rôle non négligeable lors d'échec de greffes. Mon rôle dans ce projet était donc d'évaluer la faisabilité de reconstruire par génie tissulaire un endothélium cornéen autologue pour notre modèle animal, et ce, à des fins de greffes. D'abord en optimisant les conditions de culture afin de permettre la croissance des cellules endothéliales cornéennes animales. Puis en reconstruisant in vitro un endothélium à partir d'une biopsie cornéenne de taille minimale. Un endothélium sain similaire au tissu natif a ainsi été reconstruit.

L'endothélium cornéen est une monocouche de cellules endothéliales cornéennes (CECs) situé sur la face postérieure de la cornée. Il crée une barrière perméable, en partie grâce aux jonctions intercellulaires. Une atteinte à cette monocouche mène à un œdème cornéen et à une perte de vision. Le seul traitement est la greffe de cornée provenant de donneur. Une alternative serait de multiplier les CECs en culture et recréer un endothélium cornéen sur un biomatériau biocompatible. Cela permettrait de traiter plusieurs patients à partir des cellules d'une seule cornée. Par contre, la formation des jonctions intercellulaires de CECs en culture doit être améliorée afin d'assurer la fonctionnalité de l'endothélium reconstruit. *In vivo*, les CECs reposent sur la membrane de Descemet ayant une rigidité entre 20 et 80 kPa. L'objectif 1 a pour but de déterminer comment la culture de CECs sur un substrat de rigidité physiologique influence la formation de jonctions intercellulaires. Pour ce faire, deux types d'hydrogels à rigidité physiologique ont été utilisés. Nos résultats ont démontré que les hydrogels de polyacrylamide sont un meilleur candidat que les hydrogels « CytoSoft » pour la culture à long terme de CECs. Par la suite, la culture a été optimisée pour la formation de jonctions intercellulaires et les résultats ont favorisé un recouvrement de collagène IV, un milieu de maturation avec 5% de sérum de veau fœtal et TGF-β2 et une rigidité de 50 kPa. Ces conditions optimales ont été utilisées pour comparer la culture sur hydrogel à la culture sur verre (70 GPa). Nos résultats ont démontré que la rigidité physiologique ne peut pas rétablir un phénotype endothélial et que la culture de CECs conditionnées à la rigidité physiologique sur hydrogel permet une meilleure formation des jonctions intercellulaires que lors de la culture sur verre. Pour terminer, l'expansion de CECs fraichement isolées sur hydrogel a été évaluée et s'est trouvée impossible à exécuter en raison d'une absence de prolifération. L'objectif 2 évalue la formation d'un endothélium cornéen sur un hydrogel biocompatible composé de courts peptides mimant le collagène (CLP) lié, ou non, au polyéthylène glycol (PEG). Les résultats ont démontré qu'un recouvrement de laminine 511 est nécessaire à l'adhésion des cellules aux hydrogels CLP, mais pas CLP-PEG, mais qu'il n'est tout de même pas possible de reformer une monocouche, en raison d'un décollement précoce des cellules ou de l'hydrogel. Le motif IKVAV de la laminine a été réticulé aux hydrogels pour éviter le décollement des cellules, mais n'a pas permis de reformer une monocouche confluente. Ce mémoire démontre que la rigidité du substrat influence la formation de jonctions intercellulaires et ouvre des pistes sur l'optimisation d'un biomatériau pouvant éventuellement servir de support à la culture de CECs. / The corneal endothelium is a monolayer of corneal endothelial cells (CECs) located on the posterior part of the cornea. It creates a permeable barrier, in part due to intercellular junctions. Damage to this monolayer leads to corneal edema and vision loss. The only treatment available is a corneal graft from a donor. An alternative would be to multiply CECs in culture and recreate a corneal endothelium onto a biocompatible biomaterial. This could allow to graft several patients using the cells of a single cornea. On the other hand, intercellular junction formation of CECs in culture must be enhanced in order to ensure the reconstructed endothelium's functionality. *In vivo*, CECs rest on the Descemet's membrane, which has an average stiffness in between 20 and 80 kPa. Objective 1 aims to determine how culturing CECs on a substrate of physiological stiffness influences the formation of intercellular junctions. To do so, two types of substrates with physiological stiffnesses were used. Our results demonstrate that polyacrylamide hydrogels are a better candidate than "CytoSoft" hydrogels for long-term culture of CECs. Thereafter, cell culture was optimized for intercellular junction formation. The optimal culture conditions included a type IV collagen coating, a maturation media with 5% fetal bovine serum and TGF-β2, and a stiffness of 50 kPa. Those conditions were then used to compare the culture on hydrogels to the culture on glass (70 GPa). Our results demonstrated that physiological stiffness can't restore endothelial phenotype and that culture of physiological-stiffness-conditioned CECs on hydrogel led to better intercellular junction formation than culture on glass. Finally, freshly isolated CEC expansion on hydrogel was evaluated and was found to be impossible to execute due to lack of proliferation. Objective 2 evaluates the formation of a corneal endothelium on a biocompatible hydrogel composed of collagen-like peptides (CLP), linked or not to polyethylene glycol (PEG). The results demonstrated that a laminin 511 coating is necessary for cell adhesion on CLP, but not CLP-PEG hydrogels, and that it is still not possible to reform a monolayer because of early detachment of the cells or the hydrogel. The IKVAV laminin motif was crosslinked to the hydrogels to avoid cell detachment, but could not reform a confluent monolayer. This master thesis demonstrates that substrate stiffness has an impact on intercellular junction formation and opens avenues to optimize a biomaterial that could be used as a support to cultivate CECs.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2003-2004 / Une déficience en cellules souches épithéliales mène à une conjonctivalisation progressive de la cornée se traduisant par une perte de vision. Nous nous sommes attardés à l'étude de la régénération de l'épithélium cornéen initiée par une greffe de cellules épithéliales de cornée de lapin (CECL) cultivées sur un gel de fibrine. À confluence des cellules, le gel est greffé de façon autologue sur une cornée de lapin déficiente en cellules souches et la guérison est observée par rapport à un contrôle non greffé. À différents temps, les cornées sont prélevées et utilisées pour une analyse histologique ou par immunomarquage. Nos résultats démontrent qu'en seulement deux semaines, nous pouvons préparer un greffon d'épithélium cornéen autologue qui est sans risque de rejet. Après un mois, les lapins ayant reçu une greffe montrent un phénotype cornéen normal comparé aux témoins non-greffés. Ces résultats indiquent que la greffe de CECL autologues permet d'aider à la guérison d'un déficit en cellules souches.

Contexte : En culture, les cellules endothéliales cornéennes humaines (CECH) adoptent fréquemment une morphologie fibroblastique [transition endothélio-mésenchymateuse (TEM)], les rendant inutilisables en génie tissulaire en raison de l’incapacité fonctionnelle associée. Objectifs : En accord avec les précédents travaux provenant de notre laboratoire et la littérature scientifique, nous avons séparément étudié les effets de la culture sous pression hydrostatique physiologique (18 mmHg) et de l’antagonisme de la TEM sur la fonctionnalité des CECH. Méthodes : D’une part, l’ensemencement des CECH sur stromas décellularisés et la culture en chambre antérieure artificielle ont permis de soumettre les CECH à une pression hydrostatique. D’autre part, les agents présumés antagonistes de la TEM suivants ont été étudiés : le SB431542, la dexaméthasone et BMP-7. Résultats : La pression hydrostatique physiologique et l’antagonisme de la TEM par le SB431542 et la dexaméthasone sont des moyens efficaces pour maintenir et améliorer la fonctionnalité des CECH in vitro. / Background: Cultured human corneal endothelial cells (HCEC) often adopt a fibroblastic-like morphology [endothelial-mesenchymal transition (EMT)], making them unusable in tissue engineering due to the associated loss of function. Purpose: In agreement with previous work from our laboratory and scientific literature, we separately investigated the effects of culture under physiological hydrostatic pressure (18 mmHg) and the antagonism of EMT on HCEC functionality. Methods: First, seeding HCEC on decellularized corneal stromas and culture in an artificial anterior chamber allowed to submit HCEC to hydrostatic pressure. Second, the following putative EMT antagonists agents were studied: SB431542, dexamethasone and BMP-7. Results: Physiological hydrostatic pressure and EMT antagonism by SB431542 and dexamethasone are effective ways to maintain and improve HCEC functionality in vitro.

Dès les premières heures suivant une lésion à l’épithélium cornéen, d’importantes quantités de fibronectine (FN) sont sécrétées dans la membrane basale, tandis que l’expression des laminines (LMs) et des collagènes (principalement le type IV) diminue temporairement pour réapparaitre une fois la lésion recouverte. L’intégrine α5β1 joue un rôle majeur dans la cicatrisation cornéenne en favorisant l’adhésion et la migration des cellules épithéliales de cornées (CEC) sur la matrice temporaire de FN. Notre laboratoire étudie la modulation d’expression du gène codant pour la sous-unité α5 par les composantes de la matrice extracellulaire (MEC) durant la cicatrisation de l’épithélium cornéen. Des travaux antérieurs réalisés dans notre laboratoire ont permis de démontrer que la FN exerce une influence positive sur l’activité transcriptionnelle du promoteur du gène α5, tandis que la LM exerce une influence négative dans des CEC de lapins. Toutefois, l’étude des influences individuelles des collagènes ou des effets combinés des matrices complexes n’avait jamais été entreprise à ce jour. Les travaux présentés dans cette thèse ont permis de démontrer que les matrices extracellulaires complexes, composées de FN et de différents types de collagènes, exercent une influence positive sur l’expression du gène α5 dans des CEC humaines. Ces influences de la MEC résultent de modifications dans l’expression et les activités de liaison à l’ADN des facteurs de transcription NFI, Sp1, AP-1 et Pax-6. À l’inverse, les matrices simples de collagènes exercent une influence négative sur l’expression du gène α5 dans les CECs ce qui suggère qu’une des multiples actions des collagènes pourrait être de ralentir la migration et la prolifération des cellules épithéliales afin de permettre leur différenciation dans les couches supérieures de l’épithélium cornéen. Nous avons également démontré la présence d’une région distale conservée de 300 nucléotides située en amont des gènes codant pour les sous-unités d’intégrines α3, α5, α9 et αv. Cette région conservée porte plusieurs éléments de régulation (positifs et négatifs) qui contribuent à la modulation fine de l’expression du gène α5. Outre les gènes pour certaines intégrines, la MEC modifie profondément l’expression de plusieurs gènes codant, entre-autre, pour des métalloprotéinases matricielles (MMPs) et diverses composantes de la MEC. / Upon corneal injury, it is the massive secretion of fibronectin (FN) that characterizes the very first changes occurring in the basement membrane (BM) while in the meantime laminin (LM) and collagens (mostly type IV) temporarily disappear and then sequentially reappear once the denuded corneal area is completely covered. The FN binding integrin α5β1 plays a major role in corneal wound healing by promoting epithelial cell adhesion and migration over the temporary FN matrix. Over the past few years, our laboratory investigated the mechanisms by which the extracellular matrix (ECM) components may alter the expression of the α5 integrin subunit gene during corneal wound healing. While FN was found to positively regulate the expression of the α5 gene promoter, LM surprisingly repressed its transcription in rabbit corneal epithelial cells. However, the individual influences of collagens, or the combinatorial influence of a more complex tissue-engineered ECM had yet to be determined. In this thesis, we demonstrated that the reconstructed ECM, which is enriched in several types of collagens and FN, exerts a positive influence on the expression of the α5 gene in human corneal epithelial cells as a result of alterations in the expression and DNA binding of the transcription factors NFI, Sp1, AP-1 and Pax-6. On the other hand, collagens most usually acted negatively on the expression of the α5 integrin gene in corneal epithelial cells (CECs). One can then speculate that a particularly important function of the corneal BM collagens would consist to inform CECs that cell migration is no longer required, allowing them to differentiate vertically into suprabasal epithelial cells. We also demonstrated that a 300 bp conserved 5’-distal region present in the α3, α5, α9 and αv integrin subunit gene promoter sequences contains several target sites for positive and negative transcription factors that may prove important for fine-tuned regulation of α5 gene transcription. In addition, the ECM components also cause important changes in the expression of other genes, such as those encoding matrix metalloproteinases (MMPs) and various ECM components.