Résumé: Suivant un stress inflammatoire, les cellules épithéliales intestinales (CE1s) relâchent des nucléotides extracellulaires, des molécules pro-inflammatoires qui activent les récepteurs purinergiques P2Y qui sont impliqués dans l'inflammation intestinale. Hormis les récepteurs P2Y, la famille des transporteurs MRP joue aussi un rôle dans l'inflammation intestinale et les maladies en découlant. Plus spécifiquement, MRP2 joue un rôle important dans l'expert de molécules inflammatoires et de drogues cytotoxiques hors des CEIs. Dans cette perspective, nous avons caractérisé en quoi la coopération du transporteur MRP2 avec les récepteurs P2Y pouvait influencer les fonctions des CEIs dans le cancer colorectal. La lignée cellulaire Caco-2 a été stimulée à l'aide de 100 p.M d'ATP ou d'UTP pendant 3 à 18 heures et l'expression de MRP2 et de P2Y2 a été mesurée par qPCR et par immunobuvardage. Nous avons par la suite vérifié s'il existe une relation entre l'expression de MRP2 et celle de P2Y2 dans les échantillons de tumeurs colorectales obtenus à partir de biopsies. D'un point de vue physiologique, nous nous sommes demandés si la modulation de l'expression de MRP2 par l'ATP pouvait conférer aux CEIs une résistance accrue face à divers agents chimiothérapeutiques. Nous avons également entamé une étude dans le but d'établir par quelle voie de signalisation l'activation du récepteur P2Y2 pouvait stimuler l'expression de MRP2. Nous avons démontré que la stimulation des CEIs par les nucléotides extracellulaires augmente l'expression de MRP2. La modulation de l'expression de MRP2 passe par l'activation du récepteur P2Y2 et semble impliquer la voie de signalisation MEK/ERK. De façon surprenante, nous avons observé que l'expression de l'ARNm de MRP2 est augmentée dans les tumeurs de cancer colorectal comparé au tissu sain, tandis que celle de P2Y2 est diminuée. Nous avons également démontré que la stimulation des CEIs par l'ATP augmente la résistance des cellules à l'étoposide et que l'invalidation du transporteur MRP2 diminue la survie des CEIs face à l'étoposide, le cisplatin et la doxorubicine. Finalement, notre analyse de l'expression de l'ARNm de P2Y2 nous a démontré que celle-ci est augmentée dans les CEls où MRP2 est invalidé. Ces résultats montrent clairement l'implication et la coopération du récepteur P2Y2 et du transporteur MRP2 dans le développement et la progression du cancer colorectal. Ils sont concordants avec les rôles de ce récepteur dans la prolifération cellulaire et l'inflammation intestinale, ainsi que ceux de MRP2 dans l'export de drogues cytotoxiques. // Abstract: Following an inflammatory stress, intestinal epithelial cells (IECs) release extracellular nucleotides, notably ATP and UTP, pro-inflammatory molecules that activate P2Y purinergic receptors that are involved in intestinal inflammation as well as a variety of cancers. Apart from P2Y receptors, the family of MRP transporters also plays a role in intestinal inflammation and in pathologies deriving from it. More specifically, MRP2 plays an important role in the export of inflammatory molecules and cytotoxic drugs from IECs. In this perspective, we studied the involvement and cooperation of MRP2 with P2Y 2 receptor in colorectal cancer. The Caco-2 cell line was stimulated with 100 µM ATP and UTP for a period of 3, 6 and 18 hours, whereafter the expression of MRP2 and P2Y2 was measured by real-time quantitative PCR and western blot. We then verified if there was a correlation between the mRNA expression of MRP2 and P2Y2 in biopsies obtained from patients with colorectal cancer. From a physiological standpoint, we wondered if the modulation of MRP2 expression by ATP could confer an increased resistance to IECs against chemotherapeutic agents. In this context, we began a study with the aim to establish by which signalization cascade the activation of P2Y 2 receptor could stimulate the expression of MRP2. We have demonstrated in this study that the stimulation of IECs with ATP and UTP increases the expression of MRP2, both at the transcriptional and protein level. The modulation of MRP2 expression occurs via the activation of the P2Y 2 receptor upon its stimulation with its agonists ATP and UTP, and the signaling cascade MEK/ERK seems to be implicated. In a surprising manner, we observed that the mRNA expression of MRP2 is increased in tumors of colorectal cancer compared to the healthy tissue while that of P2Y 2 is decreased. We have also demonstrated that the stimulation of IECs with ATP increases the resistance of cancer cells to the drug etoposide. On the contrary, the invalidation of MRP2 by shRNA decreases the survival of IECs against the chemotherapeutic agents etoposide, cisplatin and doxorubicin. Finally, our analysis of the mRNA expression of P2Y 2 has demonstrated that it is increased in IECs that are invalidated for the expression of MRP2. These results demonstrate an evident involvement and cooperation between extracellular nucleotides, P2Y2 receptor and MRP2 transporter in the development and progression of colorectal cancer. They are concordant with the role of this receptor in intestinal inflammation as well as that of MRP2 in the export of a variety of drugs. [symboles non conformes]

Th.--Méd.--Nancy 1, 1983. N°: 71.

Nous avons montré que, dans l'intestin, les cellules exprimant le marqueur spécifique des lymphocytes Natural Killer (NK), NKp46 peuvent être divisées en deux compartiments, par rapport au facteur de transcription RORyt. Les cellules NKp46+RORyt- sont des cellules NK intestinales immatures. Cependant, les cellules NKp46+RORyt- s'apparentent aux cellules "lymphoid tissue-inducer" (LTi), puisqu'elles requièrent RORyt pour leur développement et produisent de l'IL-22, cytokine essentielle pour l'homéostasie et la réponse antimicrobienne épithéliale. Notre recherche actuelle vise à établir les relations ontogéniques et la signature génétique de ces cellules au niveau pan-génomique. La fonction in vivo des cellules NKp46+ intestinales est adressée dans un modèle unique d'infection par voie orale avec Listeria monocytogenes. L'ensemble de nos résultats a montré que les cellules NKp46+ ont une place légitime dans la famille émergente des cellules intestinales de l'immunité innée. / Natural Killer (NK) cells are NKp46+CD3- innate lymphocytes, which exhibit cytotoxicityand cytokine production, mainly IFN-γ, as major effector functions. In mammals, theexpression of natural cytotoxic receptor NKp46 is essentially restricted to NK cellcompartment. However, we showed that in mouse intestine, NKp46 marker defines aheterogeneous cell population, differentially expressing the retinoic acid orphan receptorRORγt. NKp46+RORγt- cells harbor reduced cytotoxicity and IFN-γ production, consistentwith an immature NK cell phenotype. In contrast, NKp46+RORγt+ cells resemble lymphoidtissue inducer cells (LTi) in their developmental requirement for RORγt and their ability toproduce IL-22. This cytokine is critical for epithelial homeostasis and antimicrobial responseat several epithelial sites.By using a genome wide profiling approach, we confirmed that gut NKp46+RORγt- cellsare the only gut NKp46+ cell population related to conventional splenic NK cells, while gutNKp46+RORγt+ cells are linked to LTi cells. Transcriptional signatures specific of distinct gutNKp46+ cell subsets are currently under intensive investigation in order to determine novelfunctional properties.We assessed gut NKp46+ cell subsets in vivo function during oral infection with entericpathogen Listeria monocytogenes (L.m.). Although immune responses to systemic L.minfection have been widely characterized in mice, L.m. cannot breach mouse intestinal barrier,thus limiting the knowledge of early immune responses at the natural site of infection. Using aunique transgenic mouse lineage restoring L.m. intestinal invasiveness, we showed that gutNKp46+RORγt- and NKp46+RORγ t+ cells respond to L.m. infection by producing IFN-γ andIL-22, respectively. Further investigation of the cellular mechanisms leading to gut NKp46+cell subset activation, as well as the contribution of these cells to the control of bacterialdissemination is in progress.Altogether our data provide novel insight into intestinal innate immunity and highlight gutNKp46+ cell subsets as “legitimate” members of the emerging family of intestinal innatelymphoid cells

Certaines espèces de phytoplanctons produisent des métabolites secondaires hautement toxiques appelés phycotoxines. Ces phycotoxines peuvent contaminer les fruits et mer et poser un risque sanitaire pour l'homme. Elles sont responsables d'effets néfastes chez l'homme et peuvent provoquer des diarrhées, des nausées et des douleurs abdominales. Pour améliorer l'évaluation du risque sanitaire lié à la présence de phycotoxines dans les coquillages, une meilleure caractérisation du potentiel toxique est indispensable. Aussi, l'objectif de ce doctorat a été d'étudier les effets cytotoxiques des phycotoxines lipophiles seules et en mélange à l'aide de nouvelles approches in vitro en toxicologie. Nos études ont montrées que si les analogues de l'acide okadaïque (AO) induisaient tous l'apoptose, la génotoxicité, l'inflammation cellulaire et la perturbation du cycle cellulaire, sur les lignées intestinales Caco-2 et HT29-MTX, ces effets se produisaient à des concentrations différentes en fonction des toxines. Ensuite, nos recherches sur la lignée hépatique humaine HepaRG ont montrées l'implication des enzymes de phase I dans le processus de détoxication de l'AO et de ses analogues les dinophysistoxines (DTX), et de la pectenotoxin-2 (PTX-2). Pour finir, l'utilisation de la méthode des index de combinaison pour l'étude de la toxicité des mélanges binaires de toxines sur des lignées intestinales a mis en évidence des effets synergiques du mélange Azaspiracide-1/ Yessotoxine. / Some species of phytoplankton produce highly toxic secondary metabolites called phycotoxins. Phycotoxins can contaminate seafood and pose a health risk to humans. They can cause several adverse effects in humans, including diarrhea, nausea and abdominal pain. To improve risk assessment associated with the presence of lipophilic phycotoxins in shellfish, a better characterization of the toxic potential is essential. The aim of this PhD was to study the cytotoxic effects of single and mixed lipophilic shellfish toxins using new approaches in in vitro toxicology. Our studies have shown that, analogs of okadaic acid (OA) induced apoptosis, genotoxicity, cellular inflammation and disturbance of the cell cycle, on intestinal cell lines Caco-2 and HT29-MTX, and that this effects occurred at different concentrations depending on the toxin. Then, our researches on human hepatic lineage HepaRG have shown the involvement of phase I enzymes in the detoxification of the pectenotoxin-2 (PTX-2), and OA and its analogues the dinophysistoxins (DTX). Finally, the use of the combination index method for studying the toxicity of binary mixtures of phycotoxins on intestinal cell lines showed synergistic effects of azaspiracid-1 / yessotoxin mixture.

Lors de l'infection par le VIH-1, l'intégrité de la barrière immunitaire muqueuse est altérée du fait d'une profonde déplétion des lymphocytes T CD4+ intestinaux, notamment des lymphocytes Th17, une sous population de lymphocytes exerçant un rôle majeur dans la lutte contre les bactéries et certains champignons. La translocation de produits microbiens de la lumière intestinale dans la circulation sanguine systémique, liée à la perte des lymphocytes Th17, est une source d'inflammation généralisée délétère. Malgré la mise en place d'un traitement antirétroviral, chez la plupart des patients, la reconstitution des lymphocytes T CD4+ de la lamina propria est différée et incomplète par rapport à celle du sang périphérique. Les travaux exposés dans ce manuscrit suggèrent que chez les patients VIH-1+ traités, une diminution de la production de la chimiokine CCL20 altère l'axe de chimiotactisme CCR6-CCL20, particulièrement important pour les lymphocytes Th17, affaiblissant ainsi l'adressage de ces cellules à la muqueuse intestinale. Les résultats obtenus ne sont pas en faveur d'un rôle direct du virus dans la diminution observée de CCL20. L'infection par différentes souches virales d'un système d'histocultures de tissu intestinal développé au laboratoire induit, au contraire, une augmentation de la production de la chimiokine CCL20. La stimulation de cultures de cellules épithéliales intestinales primaires, spécialement mises au point lors de ce projet, par différentes protéines virales ne montrent pas non plus d'effet négatif sur la production de la chimiokine CCL20. La stimulation des cellules épithéliales intestinales primaires par différents ligands des récepteurs de l'immunité innée aux pathogènes (PRR) a également permis d'écarter la potentielle responsabilité de la translocation résiduelle de produits microbiens observée chez les patients VIH-1+ dans la diminution de la production de CCL20. L'analyse de la distribution des différentes populations lymphocytaires dans les compartiments sanguin et intestinal des patients VIH-1+ traités a mis en évidence une augmentation d'une population de lymphocytes T régulateurs dans l'intestin grêle, qui n'expriment pas le récepteur CCR6 (Treg CCR6-). L'étude présentée souligne la persistance d'un déséquilibre du ratio lymphocytes Th17/Treg CCR6- malgré un traitement antirétroviral. La perturbation de l'environnement cytokinique, conséquence de la modification du ratio lymphocytes Th17/Treg CCR6- semble impliquée dans la diminution de la chimiokine CCL20 observée chez les patients VIH-1+ traités. La stimulation des cellules épithéliales intestinales primaires par l'IL-17A, synthétisée par les lymphocytes Th17, augmente la production de CCL20, alors que la stimulation par l'IL-10 et le TGF-ß1, produites par les lymphocytes Treg, diminue cette production. La co-culture de cellules épithéliales primaires avec différents ratio de lymphocytes T triés et stimulés, reproduisant ex vivo l'interaction entre l'épithélium intestinal et la lamina propria sous jacente, confirme l'influence du ratio lymphocytes Th17/Treg CCR6- sur la production de CCL20 par les cellules épithéliales intestinales. Ces travaux démontrent que l'axe de chimiotactisme CCR6-CCL20 est altéré chez les patients VIH-1+ malgré le traitement antirétroviral prolongé et que la persistance d'un déséquilibre du ratio lymphocytes Th17/Treg CCR6- dans la lamina proria pourrait contribuer à la diminution de la production de CCL20 par les entérocytes, soulignant l'existence d'un cercle vicieux entre la diminution de l'expression de CCL20 et le défaut d'adressage des lymphocytes Th17 à la muqueuse intestinale. / During HIV-1 infection, the integrity of the intestinal immune barrier is disrupted due to a deep depletion of CD4+ T cells in the gut, especially Th17 cells, a T cell subset exerting a major role in antimicrobial immunity. The translocation of microbial products from the gut lumen into the bloodstream, associated with Th17 cells loss, has been linked to systemic inflammation. Despite effective cART, CD4+ T cells restoration in the lamina propria is postponed and incomplete compared with peripheral blood of most individuals. The works exposed in this manuscript suggest that treated HIV-1-infected individuals display a reduced CCL20 production altering the CCR6-CCL20 chemotactic axis, which drives Th17 cells trafficking to the gut. Our results do not support a direct role of the virus in the decreased production of the CCL20 chemokine. The infection of small bowel explants by various viral strains rather leads to an increase of CCL20 production. The stimulation of primary intestinal epithelial cells cultured ex vivo by a technique specially worked out during this project by various viral proteins do not show any negative effects on the production of CCL20. Stimulation of primary intestinal epithelial cells by several ligands of innate microbial sensors (PRR) also allows to rule out a potential responsibility of the residual microbial translocation observed in treated HIV-1-infected individuals in the decreased production of the CCL20 chemokine. The detailed analysis of various lymphocyte populations distribution in the blood and intestinal compartments of treated HIV-1-infected individuals highlights an increase of a regulatory T cell subset in the small intestine, which do not show the CCR6 chemokine receptor (CCR6- Treg). Despite antiretroviral therapy, the presented study underlines the persistence of an imbalanced Th17/CCR6- Treg ratio. The cytokinic microenvironment disruption, as a consequence of the modification of the Th17/CCR6- Treg ratio seems involved in the decrease of the CCL20 chemokine observed in treated HIV-1-infected individuals. Stimulation of primary intestinal epithelial cells with IL-17A produced by Th17 cells increases CCL20 production whereas Treg cytokines both IL-10 and TGF-ß1 decrease it. Ex vivo co-culture of primary small intestine epithelial cells with various proportions of T lymphocytes sorted by flow cytometry, activated and placed into the bottom chamber of the transwell to mimic lamina propria-epithelium interactions, confirms the influence of the Th17/CCR6- Treg ratio on the production of CCL20 by the intestinal epithelial cells. All together, our data demonstrate that the CCL20-CCR6 axis driving Th17 cells gut homing is altered in HIV-1-infected individuals despite antiretroviral therapy, and the persistence of an imbalanced Th17/CCR6- Treg ratio into the lamina propria could contribute to the decrease of the CCL20 chemokine production by enterocytes, highlighting the existence of a vicious circle between the decrease of the CCL20 expression and the defective gut homing of CD4+ T cells, notably Th17 cells.

Sox9 est un facteur de transcription exprimé au cours du développement de l'intestin et son expression est maintenue à l'âge adulte dans trois populations cellulaires : les cellules souches, les cellules de Paneth, et les cellules tuft. L'inactivation de Sox9 dans l'épithélium intestinal embryonnaire entraîne, chez l'adulte, une hyperplasie des cryptes ainsi que l'absence de cellules de Paneth. Ce projet de thèse vise à déterminer le rôle de Sox9 dans les cellules de Paneth (dont la fonction est altérée chez les patients atteints de la maladie de Crohn), à identifier les mécanismes par lesquels Sox9 régule la prolifération et à proposer des cibles de Sox9 dans les cellules tuft. À l'aide de modèles murins d'inactivation de Sox9 au niveau de l'épithélium intestinal adulte, nous avons montré que la perte de ce facteur conduit à une augmentation de la prolifération dans les cryptes, confirmant ainsi que Sox9 régule négativement ce processus. Nos résultats indiquent que Sox9 est essentiel au maintien de l'identité des cellules de Paneth et nous proposons qu'il assure cette fonction en réprimant des gènes requis pour la différenciation des cellules de Goblet : Muc2 et Klf4. La perte de Sox9 dans les cellules de Paneth s'accompagne d'une réduction importante des molécules antimicrobiennes, ce qui entraîne une dysbiose intestinale. Dans un environnement spécifique (en présence du « mouse norovirus »), les souris déficientes en Sox9 présentent une perméabilité intestinale augmentée et une susceptibilité à l'inflammation accrue. Les dysfonctionnements des réponses antimicrobiennes et immunitaires dans notre modèle sont comparables à ceux observés chez les patients atteints de la maladie de Crohn, suggérant une implication potentielle de Sox9 dans cette pathologie. De plus, ces altérations pourraient expliquer l'augmentation de l'apparition des tumeurs observée chez les souris dont l'épithélium intestinal est déficient en Sox9, dans le contexte d'une mutation du gène suppresseur de tumeur Apc. Enfin, nous avons identifié des gènes potentiellement régulés par Sox9 qui pourraient expliquer son rôle dans le contrôle de la prolifération. Ces découvertes seront importantes pour mieux comprendre le processus du renouvellement de l'épithélium intestinal et identifier précisément le rôle de Sox9 dans le maintien de l'homéostasie et au cours du processus de la tumorigenèse intestinale. / Sox9 is a transcription factor expressed during the intestinal development and its expression is maintained throughout adult age in at least three populations of cells: stem cells, Paneth cells and tuft cells. Sox9 inactivation in the embryonic intestinal epithelium leads to crypts hyperplasia and to the loss of the Paneth cell lineage. The aim of this project is to determine Sox9 function in the adult intestinal epithelium, especially its role in Paneth cells (which function is altered in patients affected by inflammatory diseases such as Crohn disease), to identify how Sox9 controls proliferation and to propose molecular targets of Sox9 in tuft cells. Using mice models to inactivate Sox9 in adult intestinal epithelium, we could show that Sox9 is required to limit proliferation in the crypts, thus validating the hypothesis that Sox9 regulates negatively proliferation. Our results indicate that Sox9 is essential to maintain Paneth cells identity and we proposed that it ensures this function by repressing genes specific for Goblet cells differentiation: Muc2 and Klf4. Loss of Sox9 in Paneth cells is associated with a reduction of antimicrobial molecules which causes intestinal dysbiosis. In a specific environment (in presence of the « mouse norovirus »), Sox9-deficient mice have a defective intestinal permeability and are more susceptible to inflammation. The dysfunctions of the mucosal defences and of immunity responses in our model resemble those observed in Crohn patients, thus suggesting a potential implication of Sox9 in this pathology. In addition, these alterations could be responsible for the increased susceptibility of our deficient model to develop tumors in the context of a mutation of the tumor suppressor gene Apc. We started to unravel potential molecular targets of Sox9 that are involved in the control of proliferation, that will be important to better understand Sox9 function in the intestinal epithelium self-renewal and to identify precisely Sox9 function to maintain homeostasis and during intestinal tumorigenesis.

Thèse d'exercice : Médecine. Hépato-gastroentérologie : Paris 12 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 54-57.

Les hormones sécrétées par les cellules endocrines pancréatiques et intestinales participent à la régulation de l’homéostasie énergétique. Leur différenciation repose sur des programmes génétiques similaires contrôlés par le facteur de transcription Ngn3. Peu de choses sont connues sur les gènes activés par Ngn3 et leurs implications dans les mécanismes contrôlant la spécification et la maturation des cellules endocrines. Par conséquent, le transcriptome des progéniteurs endocrines a été déterminé dans l’équipe. Parmi les gènes fortement enrichis dans le lignage endocrine, j’ai caractérisé l’expression et la fonction de la kinase Pak3 et j’ai continué l’étude de la fonction pancréatique et intestinale du facteur de transcription Rfx6. J’ai montré que Pak3 est exprimé dans le lignage endocrine pendant le développement et chez l’adulte. Avec des expériences de perte de fonction, j’ai montré que ce gène inhibe la prolifération des progéniteurs endocrines et des cellules bêta durant l’embryogénèse. De plus, une étude métabolique a montré que les souris mutantes pour Pak3 sont intolérantes au glucose. En parallèle, en utilisant une souris conditionnelle pour Rfx6, j’ai montré que Rfx6 est nécessaire en aval de Ngn3 pour la différenciation des cellules endocrines pancréatiques et intestinales. Finalement, des expériences dans les souris adultes suggèrent que Rfx6 est nécessaire pour maintenir les cellules bêta, renouveler les cellules entéroendocrines et absorber les lipides dans l’intestin. En conclusion, ces études révèlent deux nouveaux gènes clés dans la régulation de la différenciation des cellules endocrines et de l’homéostasie énergétique dans le pancréas et l’intestin. / Pancreatic and intestinal endocrine cells, and their secreted hormones, contribute to the regulation of energy homeostasis. Their differentiation relies on similar genetic programs controlled by the proendocrine transcription factor Ngn3. However, our knowledge of the endocrinogenic programs implemented by Ngn3 is still fragmentary. Therefore, the transcriptome of endocrine progenitors has been determined in the lab. Among the genes which showed a strong enrichment in the endocrine lineage, I studied the expression and function of Pak3, a serine/threonine kinase and further pursued the dissection of the function of the transcription factor Rfx6 in the pancreas and the intestine. I showed that Pak3 is expressed throughout pancreas development and maintained in adult islets. Using ex vivo loss of function experiments and in vivo characterisation of the Pak3-deficient mice, I identified Pak3 as an inhibitor of islet progenitors and beta-cell proliferation in the embryonic mouse pancreas. Furthermore, we performed metabolic studies which revealed that Pak3-deficient micehave an impaired glucose homeostasis, especially under challenging high fat diet. In parallel, using a conditional knockout mouse for Rfx6, we showed that Rfx6 is necessary downstream of Ngn3 for endocrine cell differentiation in the pancreas as well as in the intestine. Finally, additional experiments in adult mice suggest that Rfx6 is necessary to maintain pancreatic beta-cells, enteroendocrine cell turnover and intestinal lipid absorption. In conclusion, these studies revealed two novel key players in the regulation of endocrine cell differentiation and energy homeostasis in the pancreas and the intestine.

L’épithélium intestinal est composé d’une monocouche de cellules épithéliales qui recouvrent à la fois les villi qui projettent dans le lumen et les cryptes invaginées dans le tissu conjonctif sous-jacent. Les cellules souches intestinales prolifèrent dans les cryptes et se différencient en 5 types de cellules différenciées incluant les entérocytes, les cellules de Paneth, les cellules caliciformes, les cellules entéroendocrines et les cellules Tuft. La plupart de ces cellules différenciées migrent vers le pôle apical du villus où elles meurent par apoptose exception faite des cellules de Paneth qui sont présentes uniquement dans les cryptes. Les cellules épithéliales adhèrent à la membrane basale qui sépare l’épithélium du stroma principalement constitué de collagène I et de fibroblastes. L’épithélium intestinal est renouvelé chaque semaine. Plusieurs voies de signalisation biochimiques qui gouvernent l’homéostasie intestinale ont été isolées en utilisant des modèles murins. En complément des études menées in vivo, des systèmes in vitro ont été développés de répondre à des questions difficiles à étudier in vivo, on peut notamment citer les organoides. Malgré leur indiscutable intérêt, les organoides ne reproduisent pas certaines caractéristiques majeures de l’intestin, à savoir que le nombre de total de cellules ne reste pas constant, qu’ils ne forment pas spontanément des villi et que le stroma est absent de ces modèles. Présentement, uniquement deux microsystèmes ont tenté de pallier l’absence de villi de ces modèles en reproduisant des caractéristiques dynamique (i.e le mouvement péristaltique) ou architecturale (i.e la topographie des villi) de l’intestin dans le but d’induire la formation des villi. Cependant, dans ces deux systèmes, les cellules ne reposent pas sur un substrat physiologique et sont directement ensemencées sur un support élastomérique. Quand bien même la surface de ces substrats est traitée avec des molécules constitutives de la matrice extracellulaire (ECM), ils ne reproduisent pas la micro-architecture (e.g sa structure microfibrillaire et la possibilité d’être remodelée par les cellules ensemencées) et les propriétés mécaniques spécifiques de l’ECM intestinale. Il est ainsi fort probable que ces systèmes induisent des phénotypes différents de ceux comprenant un substrat physiologique. Pour éviter ces phénomènes, nous avons développé un système innovant qui reproduit à la fois la composition et la topographie de la matrice intestinale. Le collagène I, en tant que principal composant des matrices extracellulaires, des mammifères a naturellement été choisi comme substrat cellulaire. La composition ainsi que les propriétés rhéologiques du collagène commercial ont été comparées au collagène extrait de queue de rat dans le laboratoire. Les techniques de lithographies ont été adaptées pour microstructurer les hydrogels en collagène en une sinusoïde tridimensionnelle de 400µm de période et 400µm d’amplitude en accord avec les dimensions anatomiques des intestins de souris. Les cellules épithéliales de lignées Caco2 qui sont considérées comme un modèle de cellules intestinales ont été ensemencées à la surface de la structure et ont colonisé les micro-structures en formant une monocouche cellulaire. L’utilisation du collagène I permet l’inclusion de fibroblastes primaires dans la matrice où ils évoluent in vivo. Les forces de tension développées par la monocouche épithéliale à la surface de la matrice mais également par les fibroblastes dans l’hydrogel affaissent les structures. Plus la concentration en collagène des gels est importante moins les structures sont déformées. Cependant, pour des concentrations supérieures à 6mg/mL, les fibroblastes présentent des difficultés pour s’étaler et proliférer dans la matrice probablement dues à une diffusion réduite des nutriments dans de telles matrices mais également à une réduction de la taille du maillage fibrillaire qui empêche l’étalement des cellules. / The epithelium of the small intestine is composed of a single layer of epithelial cells lining the villi that project into the lumen of the gut, and the crypts that descend into the underlying connective tissue. Dividing stem cells are contained within the crypts and give rise to five types of specialized epithelial cells including enterocytes, Goblet cells, Paneth cells, enteroendocrine cells and Tuft cells. Most of those cells travel upwards from the crypt towards the villus tip where they shed into the lumen except for Paneth cells that remain confined into the crypt. The basement membrane underlines the basal surface of epithelium and separates it from the stroma mostly composed of collagen I and fibroblasts. The whole intestinal epithelium is renewed every week. Many biochemical pathways that control intestinal homeostasis are discovered using mouse models. In contrast, in vitro models systems, such as organoids, provide a mean to investigate questions hard to be addressed in vivo. Despite their obvious interest, organoids do not fully recapitulate intestinal features: the total number of cells does not remain constant, villi-like structures are missing as well as cells and matrix constitutive of the stroma. Only two microfabricated devices have been developed to overcome this absence of villi by replicating dynamic (i.e the peristaltic motion) or structural feature (i.e the topography of the villus) of the intestine in order to induce the formation of villi. However they both do not provide the cells a physiological substrate as cells are directly seeded on an elastomeric synthetic scaffold. Even though those substrates are coated with ECM molecules, as they miss the micro-architecture specific of ECM (e.g. fibrillar structure and capacity to be remodeled by cells) as well as their mechanical properties; they might induce a different phenotype to the cells than if they were seeded on/in an ECM-like hydrogel. To address this lack, we developed an innovative device that recapitulates both the composition and topography of the intestinal lining. We chose collagen I as the constituent of our substrate since collagen I is the most abundant protein in mammals and the main constituent of all ECM in the body. We first characterized the composition and the rheological properties of commercial rat tail collagen I hydrogel and compared it to the one we extracted from rat tails. To reproduce the 3D structure of the intestine, we microstructured collagen I scaffolds as 3D sinusoids with 400µm period and 400µm height that respect the anatomic dimensions of mice intestine by adapting methods from soft lithography field. Epithelial cells from Caco2 cell line which are considered as an intestinal model were first seeded on the surface of the scaffold and successfully colonized the structure as a monolayer. Primary fibroblasts were embedded in collagen scaffolds were they actually belong in vivo. The force exterted by the epithelial monolayer at the surface of the scaffold but also by the fibroblasts inside the gels flattened the structures. The higher the concentration of collagen was the less the structures were deformed. However, for collagen concentrations higher than 6mg/mL, the fibroblasts experienced difficulties to spread and proliferate in the matrix probably related to a reduced diffusion of nutrients in such matrix or to the reduced mesh size of the fibrillar network that prevent cell spreading. Two main approaches were investigated to stiffen the collagen scaffold while maintaining a porosity suitable for fibroblasts spreading and proliferation. One consisted in the addition of a stiffer biocompatible polymer to generate a hybrid semi-interpenetrating network hydrogel with improved mechanical properties. The other resided in the addition of a cross-linker that covalently bonded the fibrils constitutive of the collagen network.

La stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) est une manifestation du syndrome métabolique dont la prévalence est en constante évolution. Les stratégies thérapeutiques sont soit difficiles à mettre en œuvre soit d’une efficacité limitée. Nous avons étudié une approche nutritionnelle avec 3 acides aminés particuliers : la glutamine, l’arginine et la citrulline (Cit) pour leurs propriétés de pharmaconutriments azotés. Dans un modèle de NAFLD modérée induite par le fructose, seule la citrulline (1 g/kg/j) permettait une amélioration du métabolisme lipidique. Toutefois, l’étude de la cinétique de NAFLD suggérait un effet protecteur du simple apport azoté. L’effet spécifique de la Cit par rapport au simple apport azoté (AANE) a donc été déterminé dans un modèle de NAFLD induite par 8 semaines de régime enrichi en fructose. Ceci a permis de confirmer l’effet protecteur de la Cit et des AANE. Toutefois, la Cit exerce un effet plus spécifique sur l’expression de Srebp1c et de Fas et améliore la disponibilité périphérique en Arg, un élément important de l’insulino-sensibilité. La stéatose est associée à une perte de masse maigre, suggérant une oxydation des AA aux dépens de l’anabolisme musculaire, et une accumulation de lipides à l’origine de la stéatose et du gain de masse grasse viscérale ; la Cit et les AANE en agissant sur la NAFLD préviendraient cet effet du fructose. Nous avons ensuite évalué les effets de la Cit dans un modèle de stéatose plus sévère induite par le western diet. La Cit améliore la fonction hépatique (diminution des lipides et de l’inflammation hépatique) et préserve l’axe intestin-foie (restauration du groupe Bacteroides/Prevotella dans la muqueuse colique, diminution de l’inflammation intestinale et augmentation de l’expression de la Claudine 1) mais ne permet pas de prévenir l’ensemble des altérations liées au western diet. Il serait intéressant d’évaluer la relation effet/dose et l’efficacité de la Cit en association avec d’autres traitements. Par ailleurs, les mécanismes cellulaires restent à élucider. / Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a manifestation of the metabolic syndrome whose prevalence is constantly growing. Therapeutic strategies are either difficult to implement or of limited effectiveness. We studied a nutritional approach with three specific amino acids: glutamine, arginine and citrulline (Cit) for their pharmaconutrient properties. In a model of moderate fructose-induced NAFLD, citrulline alone (1 g/kg/day) improved lipid metabolism. However, the study of the kinetics of NAFLD suggested a protective effect of nitrogen supply by itself. The specific effect of Cit compared to that of nitrogen (NEAAs) has been determined in a model of 8 week fructose diet-induced NAFLD. This has confirmed the protective effect of Cit and NEAAs. However, Cit exerted a specific effect on the expression of Fas and SREBP1c and improves peripheral Arg availability, an important component of insulin sensitivity. Steatosis was associated with loss of lean mass, suggesting AA oxidation at the expense of muscle anabolism, and lipid accumulation causing steatosis and visceral fat gain; Cit and NEAAs by acting on NAFLD would prevent this effect of fructose. We then evaluated the effects of Cit in a model of more severe steatosis induced by western diet. Cit improved liver function (reduced fat and liver inflammation) and protected the liver-gut axis (restoration of Bacteroides/Prevotella group in the colonic mucosa, decreased intestinal inflammation and increased expression of claudin 1) but did not prevent all western diet-induced alterations. It would be interesting to assess the dose/effect relationship and the effectiveness of Cit in combination with other treatments. Furthermore, the cellular mechanisms remain to be elucidated.