L'accident vasculaire cérébral (AVC) est la principale cause de handicap acquis chez l'adulte. Au-delà de l'étroite fenêtre thérapeutique et des risques éventuels de la thrombolyse et de la thrombectomie mécanique, la thérapie cellulaire par cellules souches présente un fort potentiel. Plusieurs études ont montré que les cellules souches transplantées peuvent améliorer la récupération fonctionnelle après un AVC sur des modèles de rongeurs. L’imagerie multiparamétrique par résonance magnétique (IRM), qui inclue l'imagerie de diffusion et de perfusion, est aujourd’hui le protocole standard pour caractériser l'AVC. L'imagerie permet également de suivre in vivo les mécanismes sous-jacents de la thérapie cellulaire après un AVC de la phase aigüe à la phase chronique. Cependant, la quantification de l'hétérogénéité spatiale des lésions, clairement visible par IRM, reste un défi à l'heure actuelle. En effet, les techniques d'analyses d'images utilisées en routine sont basées sur le calcul des valeurs moyennes à partir de régions d'intérêts (ROI). Cette technique par ROI ne peut pas refléter l'hétérogénéité intra-lésionnelle. C'est pourquoi, de nouvelles stratégies d'analyses d'images doivent être développées et évaluées afin de quantifier l'hétérogénéité des lésions ischémiques mais aussi pour suivre l'évolution de cette hétérogénéité au cours du temps. Des approches utilisant des analyses par histogramme permettent d'évaluer l'hétérogénéité des lésions mais perdent l'information spatiale. Une alternative est l'utilisation d'une analyse d'image à l'échelle du voxel appelée "Parametric Response Map (PRM)". Cet outil a été décrit comme plus sensible que l'analyse par ROI dans le pronostic mais aussi dans le suivi thérapeutique chez des patients porteurs de tumeurs cérébrales ou encore atteints d'hémorragies cérébrales.Mon projet de thèse est divisé en deux parties: une étude préclinique chez le rat et une étude clinique (projet ISIS / HERMES). La première partie de ma thèse vise à évaluer les changements physiopathologiques mesurés par l'IRM après un traitement par cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) sur un modèle d'AVC chez le rat. Des animaux présentant une occlusion transitoire de l'artère cérébrale moyenne (oACM) ou non (Sham) ont été traités ou non par une injection de CSMh. Au cours de cette étude, différents paramètres IRM ont été cartographiés en utilisant une IRM 7T (4 temps d'imagerie): le coefficient apparent de diffusion (ADC), le volume sanguin cérébral (CBV) et l'indice de taille des vaisseaux (VSI). Les cartes d'ADC, CBV et VSI ont été analysées en utilisant l'approche classique par ROI mais aussi par PRM. L'objectif de cette étude était de déterminer si l'analyse par PRM était capable de détecter plus précocement l'effet des CSMh que l'analyse par ROI. Durant la seconde partie de ma thèse, 6 paramètres IRM (imagerie de diffusion et de perfusion) ont été acquis chez 30 patients AVC. Les données IRM, analysées par valeur moyenne classique et par PRM, ont été corrélées avec des évaluations de la récupération fonctionnelle : le score NIHSS (National Institutes of Health Stroke Score) et l'échelle de Rankin modifiée (mRS) mesurés à différents temps post-ischémie. L’analyse PRM des cartes paramétriques IRM révèle des changements fins de la lésion et corrèle avec le pronostic à long terme après l’ischémie.En conclusion, la PRM pourrait être utilisée comme biomarqueur d’efficacité thérapeutique (combinaison d’images IRM et d’outils innovants d’analyse d'images) et comme biomarqueur pronostique des patients AVC. / Stroke is the leading cause of disability in adults. Beyond the narrow time window and possible risks of thrombolysis and mechanical thrombectomy, cell-therapies have strong potential. Reports showed that transplanted stem cells can enhance functional recovery after ischemic stroke in rodent models.To assess the mechanisms underlying the cell-therapy benefit after stroke, imaging is necessary. Multiparametric magnetic resonance imaging (MRI), including diffusion-weighted imaging (DWI) and perfusion-weighted imaging (PWI), has become the gold standard to evaluate stroke characteristics. MRI also plays an important role in the monitoring of cerebral tissue following stroke from the acute to the chronic phase. However, the spatial heterogeneity of each stroke lesion and its dynamic reorganization over time, which may be related to the effect of a therapy, remain a challenge for traditional image analysis techniques. To evaluate the effect of new therapeutic strategies, spatial and temporal lesion heterogeneities need to be more accurately characterized and quantified.The current image analysis techniques, based on mean values obtained from regions of interest (ROIs), hide the intralesional heterogeneity. Histogram-based techniques provide an evaluation of lesion heterogeneity but fail to yield spatial information. The parametric response map (PRM) is an alternative, voxel-based analysis technique, which has been established in oncology as a promising tool to better investigate parametric changes over time at the voxel level which concern the therapeutic response or prognosis of disease.The PhD project was divided into two parts: a preclinical and a clinical study. The goal of the first study was to evaluate the PRM analysis using MRI data collected after the intravenous injection of human mesenchymal stem cells (hMSCs) in an experimental stroke model. The apparent diffusion coefficient (ADC), cerebral blood volume (CBV) and vessel size index (VSI) were mapped using 7T MRI. Two analytic procedures, the standard whole-lesion approach and the PRM, were performed on data collected at 4 time points in transient middle cerebral artery occlusion (MCAo) models treated with either hMSC or vehicle and in sham animals. During the second PhD project, 6 MR parametric maps (diffusion and perfusion maps) were collected in 30 stroke patients (the ISIS / HERMES clinical trial). MRI data, analyzed with both a classic mean value and a PRM approaches, were correlated with the evaluation of functional recovery after stroke measured with the National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS) and the modified Rankin Scale (mRS) at 4 time points.In both studies, PRM analysis of MR parametric maps reveals fine changes of the lesion induced by a cell therapy (preclincal study) and correlate with long-term prognosis (clinical study).In conclusion, the PRM analysis could be used as an imaging biomarker of therapeutic efficacy and of prognostic biomarker of stroke patients.

L’hémorragie sous-arachnoïdienne (HSA) est une pathologie redoutable résultant fréquemment de la rupture d’un anévrisme intracrânien. Elle est associée à une mortalité élevée et d’importants déficits neurologiques. Le saignement entraîne l’augmentation de la pression intracrânienne, la diminution du flux cérébral sanguin, l’apparition de l’inflammation cérébrale et la mort neuronale. Ces évènements de la phase d’insulte cérébrale précoce (72 premières heures) conditionnent le devenir du patient. Le vasospasme était initialement considéré comme la cause principale des ischémies cérébrales retardées (DCI), mais sa diminution pharmacologique n’a montré aucun bénéfice pour les patients. Cependant, l’infiltration rapide des leucocytes dans le SNC suivant le saignement semble impliquée dans le développement des DCI. Notre hypothèse est que l’activation précoce du système immunitaire à la suite de l’HSA est responsable de la mort neuronale retardée et de la survenue des déficits constatés chez les patients souffrant d’HSA. Nos buts étaient de caractériser la contribution des leucocytes dans l’inflammation cérébrale et la mort neuronale dans un modèle murin d’HSA, de moduler cette inflammation par l’utilisation de la protéine MFG-E8, une protéine anti-inflammatoire favorisant la clairance apoptotique, et de confirmer la présence d’une signature immunologique comparable chez les patients HSA. Notre modèle murin nous a permis d’induire chirurgicalement l’HSA et d’injecter par voie intrapéritonéale la protéine MFG-E8. La composition cellulaire du sang (humain et murin) et du cerveau des souris a été analysée par cytométrie en flux. Le plasma (humain et murin) et le liquide céphalo-rachidien (LCR) des patients ont été analysés par dosage cytokinique. Certains cerveaux de souris étaient inclus en paraffine pour l’imagerie par microscopie confocale. La lignée cellulaire de microglie nous a permis d’étudier la modulation de la capacité de phagocytose et de production de ROS par l’exposition au sérum ou au LCR de patients HSA. Dans une première étude, nous avons démontré le rôle de l’inflammation cérébrale précoce dans le développement de la mort neuronale et des symptômes chez les souris HSA. Nous avons également caractérisé la présence de marqueurs inflammatoires systémiques chez les patients HSA. Dans une deuxième étude, nous avons montré que le traitement par la protéine MFG-E8 chez les souris HSA entraînait la diminution de l’inflammation périphérique ainsi que de la présence des marqueurs M1, de l’activation des astrocytes et de la mort neuronale dans le cerveau aboutissant à la diminution de la sévérité des symptômes. L’étude de l’activation immunitaire chez les patients HSA, nous a permis d’observer une signature immunologique similaire à notre modèle murin. Nous avons montré que les patients HSA présentaient une augmentation des cellules immunitaires innées et une immunodépression lymphocytaire en comparaison avec des donneurs sains. Nous avons également décrit l’importance du grade et du genre des patients par la caractérisation d’un profil inflammatoire plus sévère chez les patients hauts gradés et chez les hommes. Finalement, nos résultats confirment l’existence d’une signature immunologique similaire entre les patients HSA et notre modèle murin aboutissant, dans les deux cas, à l’augmentation de l’activation de l’inflammation systémique et cérébrale. Cette signature immunologique est dépendante du sexe et du grade des patients. La diminution de la gravité des symptômes par le traitement avec la protéine MFG-E8 dans notre modèle souris confirme l’implication incontestable de l’inflammation dans l’apparition des déficits moteurs secondaires à la mort neuronale, et le potentiel thérapeutique de cette protéine MFG-E8 dans le développement de nouvelles thérapies. / Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a redoubtable pathology resulting frequently from the rupture of an intracranial aneurysm. It is associated to an important mortality and severe neurologic deficits. The bleeding leads to an increase in the intracranial pressure, to a decrease in cerebral blood flow, to the development of cerebral inflammation and to neuronal death. These events of early brain injury (first 72 hours) determine the patient’s prognosis. The vasospasm was first thought to be the main cause of delayed cerebral ischemia (DCI), but its pharmacological decrease was not being associated to any benefits for the patients. However, rapid leucocytic infiltration in the CNS secondary to the bleeding seems implicated in the development of DCI. Our hypothesis is that the early immune system activation in SAH is responsible for delayed neuronal death and for the onset of symptoms in SAH patients. Our goals were to characterize the contribution of leucocytes in cerebral inflammation and neuronal death in our SAH mice model, to modulate the inflammation by using MFG-E8 protein, an anti-inflammatory protein promoting the apoptotic clearance, and to confirm this similar immunologic signature in SAH patients. Our mouse model allows us to surgically induce SAH and to inject the MFG-E8 protein by intraperitoneal injection. The cellular composition of blood (human and mouse) and of mouse brains were analyzed by flow cytometry. The plasma (human and mouse) and the cerebrospinal fluid (CSF) were analyzed by cytokine assay. Some mice brains were paraffin-embedded for confocal microscopy imaging. Microglia cell lines allowed us to evaluate the modulation of phagocytosis and reactive oxygen species (ROS) production secondary to the exposition to SAH patients’ serum and CSF. In the first study, we have demonstrated the impact of early cerebral inflammation on neuronal death and the occurrence of symptoms in SAH mice. We also have characterized the presence of systemic inflammatory markers in SAH patients. In the second study, we have shown that MFG-E8 protein treatment in our SAH mice model is linked to a decrease in peripheric inflammation as well as to a decrease of M1 markers, astrocytic activation and neuronal death in the brain leading to a decrease of symptoms severity. iv The study of immune activation in SAH patients allowed us to observe an immune signature like in our mouse model. We have revealed that SAH patients have an increase in innate immune cells and in lymphocytic immunosuppression in comparison to healthy donors. We have also described the importance of gender and SAH grade by the characterization of a more severe inflammatory profile in high-grade and in male patients. To conclude, our results confirm the existence of a similar immune signature between SAH patients and our mouse model leading in both cases to an increase in systemic and cerebral inflammation. This immunologic signature depends on the patients’ gender and on the grade of SAH. The decrease of symptom severity with MFG-E8 protein treatment in our mice model confirms the unquestionable implication of inflammation in the occurrence of motor deficits secondary to neuronal death and the therapeutic potential of MFG-E8 for the development of new therapies.