L’obésité et le surpoids ont été décrits comme une pandémie. L’obésité et le vieillissement vont conduire à des complications cardiovasculaires. De plus, l’obésité favoriserait un vieillissement cardiaque prématuré chez les adultes jeunes. L’hypothèse de ce travail est qu’un régime riche en graisses, démarré avant l’âge adulte, poursuivi sur une longue durée, pourrait entraîner un vieillissement « accéléré » cardiovasculaire et métabolique. Nous avons démontré, dans un modèle murin vieillissant, qu’un régime riche en graisses conduit à des troubles métaboliques ainsi qu’à une augmentation de la masse grasse et à une détérioration du métabolisme au niveau du tissu adipeux blanc. Ces troubles sont associés à des altérations au niveau cardiaque, malgré l’absence de modifications de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque. Le vieillissement, chez les souris obèses, va conduire à un remodelage du ventricule gauche accompagné par une dysfonction systolique. Au niveau tissulaire cardiaque, le vieillissement et le régime précoce conduisent à l’augmentation de l’expression de gènes de fibrose confirmant ainsi le phénotype hypertrophique. Le vieillissement associé à un régime riche en graisses précoce conduit également à une up-régulation de GDF11. GDF11 peut alors être considéré comme un marqueur de vieillissement cardiaque accéléré. Ces résultats peuvent suggérer des voies thérapeutiques ou préventives, où l’inhibition de GDF11 améliorerait le pronostic et la survie cardiovasculaire des sujets obèses. L’étude de ce modèle nous a ainsi permis de mettre en évidence qu’un régime riche en graisses conduit à un vieillissement accéléré au niveau cardiaque / Obesity and being overweight have been described as a global pandemic. Both obesity and aging will lead to cardiovascular complications. In addition, it has been highlighted that obesity promotes premature cardiac aging in young adults. The hypothesis of this work is that a high fat diet begun before adulthood, pursued over a long period of time, could lead to “accelerated” cardiovascular and metabolic aging. We have demonstrated, in an aging mouse model, that an early high fat diet leads to metabolic disorders and to an increase in fat mass and a deterioration in metabolism of white adipose tissue. These disorders are associated with alterations in cardiac morphology and function, despite an absence of changes in blood pressure and heart rate. Ageing, in obese mice, leads to ventricular remodeling accompanied by systolic dysfunction. In cardiac tissue, aging and early diet lead to an increased expression of fibrosis genes confirming the hypertrophic phenotype. Aging associated with an early high fat diet led also to an up-regulation of GDF11. GDF11 may then be considered as a marker of accelerated cardiac aging. These results may suggest therapeutic or preventive pathways, where inhibition of GDF11 improves prognosis and survival in obese subjects with cardiovascular disease. The study of this model has allowed us to demonstrate that a high fat diet leads to accelerated aging at the level of the heart

L’hypertrophie cardiaque est un mécanisme adaptatif qui se développe en réponse à une surcharge de travail hémodynamique. Lors d’un stress chronique, elle peut mener à l’insuffisance cardiaque (IC), l’une des principales causes de mortalité dans les pays industrialisés. Les voies de signalisation hypertrophiques induites par les récepteurs α et β-adrénergiques font intervenir la petite protéine G Ras et des protéines calcium-dépendantes telles que la calcineurine (CaN) et la Ca2+/calmoduline-dépendante kinase de type II (CaMKII), ainsi que leurs facteurs de transcription respectifs NFAT et MEF2. Dans les cellules immunitaires, la protéine Carabine a été mise en évidence comme inhibant la CaN et de Ras. L’objectif de cette thèse et de caractériser son rôle dans le cardiomyocyte.In vitro, nous montrons que Carabine est exprimée dans le cardiomyocyte de rat nouveau-né et adulte et inhibe par l’intermédiaire de ses domaines fonctionnels les voies de signalisation de Ras/ERK, CaN/NFAT et CaMKII/MEF2. Sous stimulation chronique adrénergique, la surexpression de Carabine prévient le remodelage cardiaque en bloquant le développement des marqueurs de l’hypertrophie : la croissance cellulaire, la réexpression des gènes foetaux etla réorganisation des protéines contractiles. Enfin, dans un modèle d’hypertrophie cardiaque induite par surcharge de pression chez le rat, l’injection intramyocardiaque d’un adénovirus codant pour Carabine inhibe l’hypertrophie des cardiomyocytes. Ce travail ouvre ainsi de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le traitement de l’IC. / Cardiac hypertrophy is an adaptative mechanism developed in response to hemodynamic overload. During chronic stress, it can lead to heart failure (HF), one of the most important causes of mortality in industrialized countries. Hypertrophic signaling pathway induced under α and β-adrenergic receptor involve small G protein Ras and calcium dependent proteins suchas the calcineurine (CaN) and the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinases II (CaMKII), as well as their respective transcription factors NFAT and MEF2. In immune cells Carabin protein has been shown to inhibit CaN and Ras. The purpose of my thesis was to determine the role of Carabin in the cardiomyocyte.In vitro, we showed that Carabin is expressed in neonatal and adult rat cardiomyocyte and inhibits via its functional domains the Ras/ERK, CaN/NFAT and CaMKII/MEF2 signaling pathways. Under adrenergic chronic stimulation, Carabin overexpression blocks the development of hypertrophic markers (cell size increase, re-expression of embryonic genesand contractile protein reorganisation) preventing thus cardiac remodeling. Finally, in a rat model pressure overload cardiac hypertrophy, intra-cardiac injection of Carabin adenovirus inhibits cardiomyocyte growth. This study opens new insights into the treatment of HF.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’hypertrophie cardiaque représente la réponse primaire du cœur dans le but d’améliorer la fonction cardiaque qui est compromise suite à un accident ischémique ou une surcharge hémodynamique. Cependant, l’hypertrophie cardiaque a pour conséquence pathologique la fibrose réactive, qui est caractérisée par la synthèse incontrôlée et le dépôt du collagène par les myofibroblastes. Ainsi, l’accumulation accrue du collagène dans le cœur hypertrophié mène à l’augmentation de la rigidité cardiaque et la détérioration progressive de la fonction contractile du cœur. Plusieurs études ont démontré que la protéine nestine, appartenant à la famille des filaments intermédiaires, est ré-exprimée dans les myofibroblastes durant la fibrose réparative et est impliquée dans la prolifération cellulaire. Basée sur ces observations, cette étude teste l’hypothèse selon laquelle nestine est induite dans les myofibroblastes suivant le développement de la fibrose réactive dans le cœur des rats ayant subi une constriction aortique supra-rénale. Deux semaines suivant une constriction aortique supra-rénale chez le rat, un patron d’hypertrophie concentrique cardiaque a été observé et associé avec une réponse de fibrose réactive caractérisée par le dépôt accru de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire de nombreux vaisseaux sanguins cardiaques. De plus, les niveaux de la protéine nestine sont augmentés significativement dans les cœurs des rats hypertrophiés, et ce, de façon corrélative avec la pression artérielle moyenne et la pression systolique du ventricule gauche. Les techniques d’immunofluorescences ont révélé une apparition accrue des cellules immunoréactives à nestine, qui présentent un phénotype mésenchymateux caractérisé par la co-expression de collagène dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire des cœurs hypertrophiés. Ces données suggèrent que les fibroblastes résidents peuvent exprimer la protéine nestine ou que l’expression de nestine est induite en réponse aux facteurs pro-fibrotiques impliqués dans la fibrose réactive. En effet, l’exposition des myofibroblastes normaux et des myofibroblastes isolés des cœurs hypertrophiés à l’AII, TGF-B1 et EGF augmente significativement l’expression de la protéine nestine, tandis que l’expression de l’α-SMA demeure inchangée. De plus, de manière prédominante dans le cœur hypertrophié, des cellules non-vasculaires CD31(+) ont été détectées dans le tissu interstitiel et la région péri-vasculaire. Ces cellules co-expriment nestine et collagène suggérant une transition des cellules endothéliales vers un phénotype mésenchymateux. Finalement, la protéine nestine, sous sa forme filamenteuse, a été détectée dans les cellules endothéliales de l’artère coronaire humaine et leur exposition au TGF-B1, induit l’expression de collagène. En revanche, l’expression de collagène a été détectée dans les cellules microvasculaires de rats CD31(+), alors que l’expression de nestine est absente. En réponse aux traitements de TGF-B1 et EGF, l’expression de nestine, sous sa forme non-filamenteuse, est détectée dans les cellules microvasculaires de rats. Collectivement, ces données supportent la prémisse selon laquelle la réponse de fibrose réactive dans les cœurs hypertrophiés, suite à une constriction aortique supra-rénale, est attribuée en partie à l’augmentation de l’apparition des cellules mésenchymateuses positives à l’expression de nestine qui proviennent des fibroblastes résidents du ventricule. De plus, les données in vivo et in vitro suggèrent que les cellules endothéliales déplacées représentent une source additionnelle des cellules mésenchymateuses nestine(+) dans le cœur hypertrophié et contribuent au développement de la fibrose réactive. Cibler la protéine nestine peut représenter une approche thérapeutique afin d’atténuer la réponse de fibrose réactive indépendamment de l’origine des cellules mésenchymateuses. / Cardiac hypertrophy secondary to an ischemic insult or a hemodynamic overload represents the primary response of the heart to enhance compromised cardiac function. However, a pathological consequence of cardiac hypertrophy is reactive fibrosis characterized by the uncontrolled synthesis and deposition of collagen by proliferating myofibroblasts. Furthermore, the unrestrained accumulation of collagen in the hypertrophic heart leads to increased cardiac stiffness and progressive worsening of contractile function. Previous studies have reported that the intermediate filament protein nestin was re-expressed in myofibroblasts during reparative fibrosis and played a direct role in cell proliferation. Based on these observations, the following study tested the hypothesis that nestin was induced in myofibroblasts secondary to the development of reactive fibrosis in the heart of rats subjected to suprarenal aortic constriction. Two weeks following suprarenal aortic constriction of the adult male rat, a concentric pattern of cardiac hypertrophy was observed and associated with an overt reactive fibrotic response characterized by the increased deposition of collagen in the interstitium and perivascular region of numerous blood vessels. Nestin protein levels were significantly increased in the heart of hypertrophied rats and expression positively correlated with mean arterial pressure and left ventricular systolic pressure. Immunofluorescence approach revealed an increased appearance of nestin-immunoreactive cells in the interstitium and perivascular region of hypertrophied hearts and exhibited a mesenchymal phenotype characterized by collagen co-staining. The latter data suggests that resident fibroblasts may have expressed nestin and/or was induced in response to pro-fibrotic factors implicated in reactive fibrosis. Indeed, the exposure of normal myofibroblasts and myofibroblasts isolated from the hypertrophied heart to AII, TGF-B1 and EGF significantly increased nestin protein levels, whereas α-SMA expression remained unchanged. Moreover and predominantly in the hypertrophied heart, displaced non-vascular CD31(+) cells were detected in the interstitium and perivascular region that co-expressed nestin and collagen suggesting a transition of endothelial cells to a mesenchymal phenotype. Indeed, filamentous nestin was detected in human coronary artery endothelial cells and exposure to TGF-B1 induced collagen expression. By contrast, collagen was detected in CD31(+) rat microvascular endothelial cells whereas nestin expression was absent. In response to TGF-B1 and EGF, nestin was expressed in rat microvascular endothelial cells but the reported filamentous phenotype was not observed. Collectively, these data support the premise that the progression of the reactive fibrotic response in the hypertrophied heart secondary to suprarenal aortic constriction was attributed in part to the increased appearance of nestin(+) mesenchymal cells originating in part from resident ventricular myofibroblasts. Moreover, the in vivo and in vitro data further suggest that displaced endothelial cells may represent an additional source of nestin(+) mesenchymal cells in the hypertrophied heart contributing to the development of reactive fibrosis. Targeting nestin may represent a potential therapeutic approach to attenuate the reactive fibrotic response regardless the cellular origin of the mesenchymal cell.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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L’infarctus du myocarde (IM) survenant après l’obstruction de l’artère coronaire est la cause principale des décès cardiovasculaires. Après l’IM, le coeur endommagé répond à l’augmentation du stress hémodynamique avec une cicatrice et une hypertrophie dans la région non-infarcie du myocarde. Dans la région infarcie, la cicatrice se forme grâce au dépôt du collagène. Pendant formation de la cicatrice, les cardiomyocytes ventriculaires résidant dans la région non-infarcie subissent une réponse hypertrophique après l’activation chronique due au système sympathique et à l’angiotensine II. La cicatrisation préserve l’intégrité structurale du coeur et l'hypertrophie des cardiomyocytes apporte un support ionotropique. Le canal CaV1.2 joue un rôle dans la réponse hypertrophique après l’IM. L’activation du CaV1.2 déclenche la signalisation dépendante de Ca2+ induisant l’hypertrophie. Cependant, il est rapporté que l’ouverture des canaux potassiques (KATP) ATP sensitifs joue un rôle sélectif dans l’expansion de la cicatrice après IM. Malgré leur expression dans les coeurs mâles, les KATP fournissent une cardioprotection sexe dépendante limitant l’expansion de la cicatrice chez les femelles. L’administration de rapamycine aux rates ayant subi un infarctus produit l’expansion de la cicatrice, soutenant la relation possible entre la cible de rapamycine, mTORC1 et les KATP dans la cardioprotection sexe spécifique. Effectivement, dans les cellules pancréatiques α, la signalisation mTORC1 était couplée à l'activation du KATP. Cependant, le lien entre mTORC1 et les canaux KATP dans le coeur reste inconnu. L'objectif de la thèse est d’examiner le rôle des canaux ioniques dans le remodelage cardiaque post-IM, surtout des canaux calciques dans l'hypertrophie et d'élucider la relation entre les KATP et mTORC1. L’hypothèse première teste que l’hypertrophie médiée par le système sympathique des cardiomyocytes ventriculaires des rats néonataux (NRCM) produit une augmentation de l’influx calcique après une augmentation des sous-unités du CaV1.2. Le traitement de norépinéphrine (NE) quadruple l’amplitude du courant calcique type L et double l’expression protéique des sous unités de CaVα2δ1 et CaVβ3. L’hypertrophie des NRCM au NE s’associe à une augmentation de la phosphorylation de la Kinase ERK 1/2. Le β1-bloqueur metoprolol et l’inhibiteur ii de ERK1/2 diminuent l’effet de NE sur CaVα2δ1. Cependant, l’augmentation de CaVβ3 et de la réponse hypertrophique persiste. Ainsi, le signal β1-adrenergique à travers ERK augmente les sous-unités CaVα2δ1 outre l’hypertrophie. L’autre hypothèse examine la spécificité du sexe sur l’expansion cicatricielle médiée par rapamycine et l’influence de mTOR sur l’expression de KATP. Rapamycin augmente la surface de la cicatrice et inhibe la phosphorylation de mTOR chez les coeurs de femelles. Dans les coeurs des deux sexes, la phosphorylation de mTOR et l’expression de KATP, Kir6.2 et SUR2A sont similaires. Cependant, une grande inactivation de la tubérine et une faible expression de raptor sont détectées chez les femelles. Le traitement à l’ester de phorbol des NRCM induit l’hypertrophie, augmente la phosphorylation de p70S6K et l’expression SUR2A. Le prétraitement par Rapamycine atténue chacune des réponses. Rapamycin démontre un patron d’expansion cicatriciel sexe spécifique et une régulation de phosphorylation de mTOR dans IM. Aussi, l’augmentation de SUR2A dans les NRCM traités par PDBu révèle une interaction entre mTOR et KATP. / Myocardial infarction (MI) secondary to the obstruction of the coronary artery is the main cause of cardiovascular death. Following MI, the damaged heart adapts to the increased hemodynamic stress via formation of a scar and a hypertrophic response of ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium. In the infarcted region, a scar is formed via the rapid deposition of collagen. With ongoing scar formation, ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium undergo a hypertrophic response secondary to the chronic activation by the sympathetic system and angiotensin II. Collectively, scar formation and cardiomyocyte hypertrophy preserve the structural integrity of the heart and provide inotropic support, respectively. CaV1.2 channels play a significant role in the hypertrophic response post-MI. Notably, the activation of CaV1.2 channel triggers Ca2+-dependent signaling that induces hypertrophy. By contrast, the opening of ATP-sensitive potassium (KATP) channels was shown to partake in selective scar expansion following MI. Notwithstanding its expression in male hearts, KATP channels endow a sex-dependent cardioprotection limiting scar expansion selectively in females. Moreover, administration of the macrolide rapamycin to the infarcted female rat heart led to scar expansion, supporting the possible relationship between the target of rapamycin, mTORC1 and KATP channels in providing sex-specific cardioprotection. Indeed, in pancreatic-α cells, mTORC1 signaling was coupled to KATP channel activation. However, whether mTORC1 targets KATP channels in the heart remains unknown. Thus, the AIM of the thesis was to explore the role of ion channels in cardiac remodeling post-MI by specifically addressing the role of Ca channels in cardiomyocyte hypertrophy and elucidate the potential relationship between KATP channels and mTORC1 signaling. The first study tested the hypothesis that hypertrophied neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVMs) following sympathetic stimulation translated to an increase in calcium influx secondary to the augmentation of CaV1.2 channel subunits. NE treatment led to a 4-fold increase of L-type Ca2+ peak current associated with a 2-fold upregulation of CaVα2δ1 and CaVβ3 protein subunits in hypertrophied NRVMs. The hypertrophic response of NNVMs to NE was associated with the increased phosphorylation of extracellular regulated kinase (ERK1/2). The β1-blocker metoprolol and the ERK1/2 inhibitor suppressed NE-mediated protein upregulation of CaVα2δ1 whereas CaVβ3 upregulation and the hypertrophic response persisted. Therefore, sympathetic mediated β1-adrenergic signaling via ERK selectively upregulated the CaVα2δ1 subunit independent of NRVM hypertrophy. The second study tested the hypothesis that rapamycin-mediated scar expansion was sexspecific and mTOR influenced KATP channel subunit expression. Rapamycin administration translated to scar expansion and inhibited mTOR phosphorylation exclusively in females. In normal adult male and female rat hearts, mTOR phosphorylation and protein levels of KATP channel subunits Kir6.2 and SUR2A were similar. However, greater tuberin inactivation and reduced raptor protein levels were detected in females. NRVMs treated with a phorbol ester induced hypertrophy, increased p70S6K phosphorylation and SUR2A protein levels and rapamycin pretreatment attenuated each response. Thus, rapamycin administration to MI rats unmasked a sex-specific pattern of scar expansion and highlighted the disparate regulation of mTOR phosphorylation. Moreover, rapamycin-dependent upregulation of SUR2A in PDButreated NRVMs revealed a novel interaction between mTOR and KATP channel subunit expression