Lysophosphatidylcholine (LPC) is a by product of phospholipid metabolism, that under physiological conditions is maintained at a low level. However, through an enhanced degradation of phospholipids and/or a reduced catabolism, LPC accumulates in the plasma and fluids of patients with disorders underscored by inflammation - such as atherosclerosis, diabetes, ischaemia and epilepsy. Previous studies have demonstrated LPC to possess vasoactive properties, able to both induce and inhibit vasodilation. Furthermore, a variety of proteins are sensitive to LPC, including non-selective cation (NSC) channels and Ca2+-activated K+ (KCa) channels. These channels are intimately associated with the maintenance and regulation of vascular tone. The aim of this study was to elucidate the mechanisms underlying the vascular effect of LPC.Aortic segments were constricted with phenylephrine and exposed to cumulative concentrations of LPC, with an ensuing endothelium-dependent, concentration-dependent vasodilation. Inhibitors of nitric oxide synthase (NOS) and soluble guanylyl cyclase (sGC) abolished LPC-induced responses, implicating nitric oxide (NO) as the mediator. Two cation fluxes were implicated in the dilator activity of LPC - Ca2+ and K+. NSC channel antagonists and reduced extracellular Ca2+ concentration attenuated dilation and reduced the Ca2+ signal activated in isolated rat aortic endothelial cells (RAEC) by LPC, implicating endothelial Ca2+ influx in the response. In addition, LPC also evoked a robust hyperpolarisation of isolated RAEC membrane potential. The K+ channel antagonists TEA+, TRAM-34 and apamin, inhibitors of KCa channels, attenuated both the LPC-induced dilation and RAEC membrane hyperpolarisation, highlighting their potential role in mediating both these processes. HEK293 cells, which lack many of the channels and signalling pathways possessed by other cells, mimicked RAEC in their sensitivity to LPC, generating robust elevations of intracellular Ca2+ when exposed to this lysolipid. Likewise, membrane hyperpolarisations were also observed in HEK293 cells, however, these only occurred when cells expressed recombinant KCa channels. This suggests that KCa channel activation is dependent upon Ca2+ influx, not vice versa. Phospholipase C (PLC) inhibitor U73122, attenuated LPC-induced hyperpolarisation, raising the question as to the possible involvement of G-protein coupled receptors in the bioactivity of LPC. Alternately, LPC might initiate PLC activity, and subsequent NSC channel opening and Ca2+ influx via a perturbation of membrane integrity, like certain local anaesthetics. It is proposed that endothelial NSC-channel activation by LPC initiates endothelial cell signalling, with concomitant activation of Ca2+-sensitive proteins such as NOS, to bring about vasodilation, and KCa channels, which modulate membrane potential and in turn the driving force for Ca2+ entry.

The advent of hyperpolarized magnetic resonance (MR) has provided new potential for real-time visualization of in vivo metabolic processes. The aim of the work in this thesis was to use hyperpolarized substrates to study rapid metabolic processes occurring in the healthy and diseased rat heart. Initial work, described in Chapter 2, optimized the hyperpolarization process to reproducibly generate tracers. Chapter 3 describes use of hyperpolarized 1-13C-pyruvate to investigate in vivo flux through the regulatory enzyme pyruvate dehydrogenase (PDH). Cardiac PDH activity was altered in several physiological and pathological states, namely fasting, type 1 diabetes, and high-fat feeding, and in vivo flux through PDH was measured using hyperpolarized MR. These measurements correlated with measurements of in vitro PDH activity obtained using a validated biochemical assay. The work in Chapter 4 investigated the physiological interaction between hyperpolarized tracer and cardiac tissue. The effect of hyperpolarized 1-13C-pyruvate concentration on its in vivo metabolism was analyzed using modified Michaelis-Menten kinetics. It was found that hyperpolarized MR could non-invasively follow mechanisms of metabolic regulation, in addition to reporting enzyme activity. In Chapter 5, hyperpolarized MR was incorporated into the isolated perfused rat heart. 1-13C-pyruvate in normal and ischaemic hearts revealed significant differences in lactate metabolism, and provided the foundation for a novel intracellular pH probe. Infusion of 2-13C-pyruvate in the isolated rat heart enabled the first real-time visualization of Krebs cycle intermediates. In summary, the work in this thesis has highlighted the potential of hyperpolarized MR to reveal novel information on heart disease.

Dans les milieux liquides où la polarisation et la densité de spins nucléaires sont importantes, la dynamique de l'aimantation, analysée par RMN (résonance magnétique nucléaire), est perturbée par les couplages internes induits par les champs magnétiques dipolaires locaux. Le présent mémoire décrit certaines conséquences associées à la présence dans l'échantillon d'une forte concentration de 129Xe hyperpolarisé par pompage optique (polarisation jusqu'à 20%), notamment les modifications des spectres RMN du proton et du xénon en présence. Puis nous présentons les résultats de l'expérience SPIDER, ayant pour but de transférer de façon cohérente la polarisation du xénon aux protons d'aimantation thermique afin d'accroître leur signal RMN. Ensuite, nous décrivons l'apparition d'émissions maser chaotiques répétées, dues au couplage inductif entre l'aimantation du xénon dans un état instable et la bobine d'analyse accordée à sa fréquence de Larmor (ici 138 MHz). Enfin, nous présentons dans la dernière partie une nouvelle méthode d'accord d'une sonde RMN permettant dans certaines conditions de réception un gain important en sensibilité et en forme de signaux, avant de conclure sur les limites de la théorie classique de la relaxation dans le cas des fortes aimantations en phase liquide.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.

Monitoring the early responses of tumours to treatment is a crucial element in guiding therapy and increasing patient survival. To achieve this, we are using magnetic resonance imaging (MRI), which can provide detailed physiological information with relatively high temporal and spatial resolution. In combination with the dynamic nuclear polarisation (DNP) technique, high signal-to-noise is obtained, resulting in a powerful tool for in vivo 13C metabolic imaging. However, detection of hyperpolarised substrates is limited to a few seconds due to the exponential decay of the polarisation with the longitudinal relaxation time constant T1. This work aimed to improve the combination of hyperpolarisation and metabolic NMR/ MRI by extending the observation timescale of the technique. Working with quantum mechanical properties of the detected substrates, long lifetimes might be accessible by using the nuclear singlet configuration of two coupled nuclei. The singlet state is immune to intramolecular dipole-dipole relaxation processes, which is one of the main sources of signal decay in MRI. In favourable situations, the singlet relaxation time constant can be much longer than T1, so transfer of the polarisation into the singlet state may allow one to extend the usable time period of the nuclear hyperpolarisation. Here we studied the relaxation of hyperpolarised metabolites, including those found in the TCA cycle, and examined the possibility of extending their observation timescale by storing the polarisation in the long-lived singlet state. The polarisation remains in this state until it is eventually required for imaging. We also investigate how one may track polarised metabolites after injection into a subject due to the transfer of polarisation to the solvent by Overhauser cross-relaxation, so that the 13C polarisation remains untouched until imaging is required. In this way we should be able to interrogate slower metabolic processes than have been examined hitherto using hyperpolarised 13C MRS, and better understand metabolic changes induced in tumours by treatment.

Perivascular adipose tissue (PVAT) and vascular endothelial cells both have important structural and functional roles in blood vessels and are the focus of this doctoral thesis. Firstly, PVAT has been rediscovered as an endocrine organ, releasing vasorelaxing substances. Secondly, the endothelial monolayer functions as an important barrier, the role of which is to restrict the transfer of molecules or even blood-borne cells between the lumen of the blood vessel and the surrounding tissue. In my main study, the presence of PVAT caused 'anti-contractile' effects, which were reversed by nitric oxide synthase (NOS) inhibition in rat mesenteric arteries and were lost in adiponectin-knockout mice. The β3 adrenoceptor agonist CL-316,243 increased PVAT-dependent anti-contractile effects and caused myocyte hyperpolarisation. Hyperpolarisation to CL-316,243 could be mimicked by the adipokine, adiponectin, and by the 5'AMP kinase (AMPK) activator, A-769662. In addition, the AMPK inhibitor, dorsomorphin, and the selective BKCa channel blocker, iberiotoxin, each blocked hyperpolarisations to CL-316,243, adiponectin and A-769662. The anti-contractile effects of CL-316,243 could also be mimicked by A-769662 but were not blocked by dorsomorphin. Moreover CL-316,243 still had anti-contractile effects in adiponectin-knockout mice. However, inhibiting the production of both NO and hydrogen peroxide reduced anti-contractile effects of CL-316,243. In obese Sprague Dawley rats both the hyperpolarising and the anti-contractile effects to CL-316,243 were impaired, while hyperpolarisation to A-769662 were unchanged. Western blots revealed that NOS, a possible downstream target of AMPK, was phosphorylated in PVAT control samples, a form which was decreased in PVAT from obese rats. These results collectively indicate that the anti-contractile and hyperpolarising effects observed following stimulation with CL-316,243 are due to activation of different PVAT-dependent pathways, both of which probably contribute to vasodilatation in blood vessels. Understanding these pathways is crucial for the development of improved treatments for obesity and hypertension. During my work at Novartis, I found that activation of sphingosine-1-receptors type 1 (S1P1) with the activator FTY720 (Fingolimod, Novartis; used in multiple sclerosis treatment) caused closure of the endothelial barrier in human umbilical vein cells. This effect could be mimicked with a recombinant peptide of nectin, an adherens junction protein. The novel S1P1 antagonists 'A1' and 'A2' (Novartis) inhibited the effect of FTY720, but not those of nectin. The discovery of nectin as a potential barrier closure modulator might contribute to the development of additional treatments for use in multiple sclerosis.

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant qui permet l’étude directe de mélanges de manière non destructive. Les spectres RMN de petites molécules en solution peuvent être différenciés grâce à la stratégie DOSY (diffusion-ordered spectroscopy), une méthode de ‘chromatographie virtuelle’ qui s’appuie sur la mesure de coefficients de diffusion translationnelle. Les principaux obstacles à l’utilisation de la DOSY sont liés à la piètre sensibilité de la RMN de manière générale mais aussi à la nécessité d’introduire une dimension temporelle supplémentaire d’acquisition, ce qui va augmenter de manière significative la durée de l’expérience. Ce travail de thèse a pour objectif de mettre au point des outils inédits de RMN plus rapides et plus adaptés à la caractérisation de mélanges peu concentrés de petites molécules. Dans un premier temps, le concept de codage spatial de la diffusion dans l’expérience DOSY a été généralisé. Mis à profit dans les méthodes RMN dites ‘ultrarapides’, l’utilisation d’une dimension spatiale plutôt que temporelle pour encoder le phénomène de diffusion permet une accélération des expériences de RMN multidimensionnelles de plusieurs ordres de grandeur. L’acquisition séquentielle de spectres est remplacée par une acquisition parallèle de ces spectres dans différentes parties de l’échantillon. L’étude poussée des méthodes de DOSY rapides s’est appuyée sur des outils de simulation numérique dans le but d’améliorer la résolution des spectres et la précision des résultats. Les problèmes de sensibilité ont été abordés via le couplage des méthodes DOSY rapides avec des méthodes d’hyperpolarisation qui permettent d’augmenter l’intensité du signal. La combinaison des méthodes de diffusion conventionnelles avec les méthodes avancées de RMN ultrarapide et d’hyperpolarisation permettront des avancées significatives pour l’analyse de mélanges, en particulier les mélanges dynamiques. / NMR spectroscopy is a powerful tool that allows a direct study of mixtures in a non-invasive manner. The NMR spectra of molecular species in mixtures can be separated with diffusion-ordered spectroscopy (DOSY), a ‘virtual chromatography’ approach based on the measurement of translational diffusion coefficients. Major limitation of DOSY comes from the time-dependent diffusion dimension, which results in long experiment durations, and also from the low sensitivity of NMR. The present work aims to build an innovative tool for mixtures characterization that will be faster and more efficient for low concentrated samples. We first generalized the concept of nD spatially encoded (SPEN) DOSY experiments for the analysis of complex mixtures. As bring forward by the so-called “ultrafast NMR” (UF NMR), the use of a spatial dimension to encode diffusion can accelerate experiments by several orders of magnitude since it replaces the sequential acquisition of sub-experiments by a parallel acquisition in different slices of the sample. More advanced exploration of SPENDOSY were carried out using numerical simulations for purpose of resolution and accuracy improvement. To address sensitivity issues, we then demonstrated that SPENDOSY data can be collected for hyperpolarized substrates. This particular coupling between conventional diffusion-based method with advanced techniques such as ultrafast NMR and hyperpolarization should mark a significant progress for complex mixtures analysis especially for time-evolving processes.

Les zéolites sont des «tamis moléculaires» connus pour leurs nombreuses applications en adsorption, échange d'ions et catalyse. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur l'étude de quelques questions liées à la synthèse et à la post-synthèse de la zéolithe, qui ne sont pas encore résolues par d'autres techniques.La RMN a été l'outil principal dans ce travail, donnant accès à des informations structurales locales sur les nanocristaux même lorsque les techniques de diffraction trouvent leurs limites. Elle peut également être utilisée pour étudier la porosité en utilisant l'adsorption de molécules sondes, et en particulier, le xénon est connu comme une bonne molécule pour cet objectif. En effet, l'isotope 129Xe peut être hyperpolarisé pour augmenter la sensibilité de détection, et il présente une large plage de déplacement chimique en fonction du confinement et donc de la porosité du matériau étudié.(I) Dans la première étude, les étapes initiales de la cristallisation de nano-faujasite (FAU) ont été étudiées en utilisant la RMN classique (principalement par 29Si et 23Na MAS RMN) et la RMN avancée (129Xe). RMN HP). Il a été montré que la cristallisation commence à des stades de synthèse bien antérieurs à ceux observés par d'autres techniques classiques (XRD, SEM, adsorption de N2 ...). La première SBU semble être les prismes hexagonaux, avant les cages sodalite, qui forment rapidement un environnement confiné puis des supercages. De plus, il a été démontré par RMN 129Xe HP et 2D EXSY que la zéolithe nano-faujasite présente des cages sodalite ouvertes et une structure plus souple que dans la zéolite de type micro-faujasite.(ii) La seconde étude est une recherche sur les phénomènes de recristallisation survenant au cours du processus de hiérarchisation de la zéolithe et qui pourrait expliquer la distribution homogène des tailles de mésopores. Comme résultat remarquable, il a été montré dans ce travail que lors de la hiérarchisation de la zéolithe bêta avec le TPAOH, la recristallisation conduisait à la formation de minuscules particules de MFI, formées à la surface des mésopores (RMN 1H MAS, RMN 129Xe HP et 2D EXSY). / The zeolites are ‘molecular sieves’ known for their numerous applications in adsorption, ion exchange, and catalysis. In this thesis, we focused on the study of some questions related to zeolite synthesis and post-synthesis, which are not yet resolved by other techniques. NMR was the primary tool in this work, as it gives access to local structural information on nanocrystals even when diffraction techniques found their limits. NMR can also be used to study porosity using probe molecules adsorption, and in particular, xenon is known as a good molecule for this purpose. Indeed, the isotope 129Xe can be hyperpolarized to increase the detection sensitivity, and interestingly it presents a wide chemical shift range depending on its confinement and thus the porosity of studied material. Two studies are reported in this manuscript: (i) In the first study, the initial steps during the crystallization of nano-faujasite (FAU) type materials were investigated using classical NMR (mainly by 29Si and 23Na MAS NMR) and advanced NMR (129Xe HP NMR). It was shown that crystallization starts at much earlier synthesis stages than those observed by other classical techniques (XRD, SEM, N2 adsorption…). The first SBU seems to be the hexagonal prisms, prior to the sodalite cages, which rapidly form confined environment and then supercages. Moreover, it has been proved by 129Xe HP NMR and 2D EXSY that nano-faujasite zeolite presents opened sodalite cages and a more flexible structure than in micro-faujasite zeolite. (ii) The second study is an investigation on the recrystallization phenomena occurring during hierarchization process of zeolite and which could explain the homogenous distribution of the mesopore sizes. As a remarkable result, it has been shown in this work that during the hierarchization of beta zeolite with TPAOH, the recrystallization lead to the formation of tiny MFI particles, formed at the surface of the mesopores (1H MAS NMR, 129Xe HP NMR and 2D EXSY).

In der vorliegenden Arbeit ist es in Kombination von Simulation und Experiment gelungen 13-C-Spins mithilfe von Stickstoff-Fehlstellen-(NV)-Zentren im Diamanten weit über das thermische Gleichgewicht hinaus zu polarisieren. Zu diesem Zweck wurde ein neues Mess-Setup entwickelt, welches eine optische Bestrahlung der Probe in einem niedrigen Magnetfeld und einen anschließenden Transfer der Probe innerhalb eines spuraleitenden Solenoiden ermöglicht. Somit ist bereits etwa eine Sekunde nach der optischen Bestrahlung eine NMR-Messung durchführbar. Auf diese Weise konnte erstmals der grundlegende Mechanismus für Hyperpolarisation einer Kreuz-Relaxation zwischen NV- und substitutionellen Stickstoff-(P1)-Zentren zugeordnet werden. Dabei ist die P1-intrinsische Hyperfeinaufspaltung der elektronischen Spin-Energie-Niveaus durch die Wechselwirkung mit dem nuklearen Stickstoffspin zu berücksichtigen und die aus einem statischen Jahn-Teller-Effekt resultierende Anisotrope dieser Hyperfeinwechselwirkung. Neben Hyperpolarisation durch 'erlaubte' Quantenübergänge im P1-Zentrum, konnten auch durch 'verbotene' Übergänge verursachte Hyperpolarisationen nachgewiesen werden. Der Vergleich der hyperpolarisierten NMR-Spektren und denen im thermischen Gleichgewicht weist eine fast drei Mal schmalere 13-C-Linie für den ersteren Fall auf. Dies deutet auf unterschiedliche Spin-Umgebung der gemessenen 13-C-Spins in beiden Fällen hin.

Le but de ce projet de thèse a été d’établir une nouvelle méthodologie permettant d’immobiliser des espèces paramagnétiques sur des silices mésoporeuses afin d’optimiser le processus de polarisation dynamique nucléaire. Pour ce faire, différentes matrices polarisantes, nommées HYPSO pour « HYbrid Polarizing SOlids », ont été préparées par un procédé sol-gel. Ces solides sont hautement poreux et des espèces paramagnétiques y sont liées de manière covalente. Un des avantages notable de cette méthode consiste à s’affranchir « d’agent glaçant » en raison d’une répartition homogène et aléatoire des radicaux à la surface des matériaux. Deux types de matrices polarisantes, HYPSO 2 et HYPSO 3 ont révélé des polarisations distinctes : P(1H)= 50% et P(1H)= 63%. Cette différence a été expliquée par l’influence de la matrice de silice qui offre de meilleures performances lorsque sa porosité est interconnectée dans les 3 dimensions de l’espace. Suite à ces résultats, de nouveaux matériaux (HYPSO 5) ont été préparés. L’influence de la taille des pores ainsi que celle des grains de silice sur la polarisation ont été étudiées. Des performances remarquables : P(1H)= 99% (± 5%) et P(13C)= 51 % ont été enregistrées, témoignant ainsi de l’efficacité de cette nouvelle méthode. De plus, les premières images IRM utilisant les HYPSO 5 en tant que matrices polarisantes ont été obtenues après hyperpolarisation d’une solution d’acétate de sodium de référence. Enfin, nous nous sommes intéressés à une nouvelle formulation basée sur des xérogels de silice. Des résultats préliminaires ont montré de bonnes polarisations avec la capacité d’utiliser un même monolithe pour polariser différents liquides / The goal of this PhD project was to develop a new methodology allowing to immobilize paramagnetic species on mesoporous silica in order to optimize the dynamic nuclear polarization process. For this purpose, different polarizing matrices, denoted as HYPSO for “HYbrid Polarizing SOlids”, were prepared through a sol-gel process. These solids are highly porous and paramagnetic species are covalently attached onto the surface. One of the noticeable benefit of this method lies in the possibility to remove the “glass forming agent” because of a homogeneous and random repartition of the radicals onto the surface of these materials. Two types of polarizing matrices, HYPSO 2 and HYPSO 3 gave distinct polarizations: P(1H)= 50% and P(1H)= 63%. This difference was explained by the influence of the silica matrix which provides better performances when its porosity is interconnected in the 3 dimensions of the space. Following these results, new materials (HYPSO 5) were prepared. The influence of the pore sizes as well as those of the silica grains on the polarization were studied. Remarkable performances: P(1H)= 99% (± 5%) et P(13C)= 51 % were recorded, thereby demonstrating the efficiency of this new method. Moreover, the first MRI pictures using HYPSO 5 as polarizing matrices were obtained after hyperpolarization of a sodium acetate solution. Finally, we were interested to a new formulation based on silica xerogels. Preliminaries results showed good polarizations and the ability to use only one monolith to polarize different liquids