L'écosystème aquatique est le résultat d'un équilibre entre l'environnement naturel et les organismes qui s'y développent. Cet équilibre peut être modifié par l'introduction de substances chimiques dues aux activités humaines. Aujourd'hui, l'impact de cette micropollution est encore mal connu, particulièrement pour les organismes constituant les premiers maillons des chaînes trophiques qui requièrent des efforts analytiques importants en raison de leur faible taille. L'objectif de ces travaux est centré sur le développement, la validation et l'application d'outils analytiques permettant d'étudier la bioaccumulation et la biotransformation de polluants émergents chez des invertébrés benthiques. Cette étude s'est focalisée sur 3 organismes aquatiques d'eau douce : C. riparius, G. fossarum et P. antipodarum. Une méthode analytique pour la quantification de 35 polluants émergents chez les 3 espèces sélectionnées a ainsi été développée. Elle permet d'accéder aux premières données de bioaccumulation des substances d'intérêts à l'échelle d'un individu grâce à la mise en oeuvre d'une stratégie analytique entièrement miniaturisée, incluant une extraction MicroQuEChERS suivie d'une analyse par nanochromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem. Afin de mieux comprendre l'impact d'une telle pollution sur les espèces sélectionnées et d'obtenir une vue globale des capacités de biotransformation de celles-ci, une approche métabolomique a été mise en place. Enfin, un nouveau mode de quantification par MRM3 a été utilisé pour dépasser la complexité de telles matrices, et fournir une évaluation fiable des cinétiques de bioaccumulation de potentiels traceurs de pollution anthropique / The aquatic ecosystem is the result of a balance between the natural environment and the organisms that inhabit it. This balance can be modified by the input of excessive amount of substances generated from human activities. Nowadays, the impact of this pollution is still little known, especially regarding the risk of bioaccumulation in the first trophic levels. This lack of data could be partially explained by the lack of suitable analytical method for small organisms. In this context, the aim of this study is to establish the development, the validation and the application of analytical tools for the assessment of bioaccumulation and biotransformation of emerging pollutants in freshwater invertebrates. Three benthic invertebrates are chosen for this project: C. riparius, G. fossarum and P. antipodarum. Analytical method has been developed for the quantification of 35 emerging pollutants in the selected species. This method provides the first bioaccumulation data of targeted substances in individual scale through the implementation of miniaturized analytical strategy, including an extraction step based on MicroQuEChERS followed by nanoliquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry analysis. To better understand the impact of such pollution and to obtain a global view of the biotransformation capacities of the selected organisms, metabolomics approach has been put in place. Finally, a new quantification mode based on MRM3 was used to overcome biotic matrix complexity and assess the bioaccumulation kinetics of potential tracers of anthropic pollution

Le colza est une culture oléagineuse très exigeante en intrants azotés associée à une faible efficience d’usage de l’azote (EUA). Le défi majeur vise à améliorer le bilan agroenvironnemental du colza par une optimisation de l’EUA, notamment en condition où l’azote est limitant dans le sol. L’EUA est limitée par une faible efficience de remobilisation de l’azote (ERA) lors de la sénescence des feuilles. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à rechercher, chez le colza, la topologie et l’orientation des attributs métaboliques associées à l’ERA pendant la sénescence foliaire.Les résultats montrent que le métabolome des feuilles évolue tout au long de leur développement végétatif, de leur croissance à leur chute. Il est spécifique à chaque étage foliaire et traduit des relations trophiques et environnementales particulières liées au positionnement des feuilles dans le couvert végétal. Ces spécificités sont associées à des variations de teneurs en glucides, d’acides aminés,de glucosinolates et de coumarines en lien étroit avec la régulation phytohormonale du développement foliaire et avec leur translocation dans le phloème. Le cas de la Proline a été plus particulièrement approfondi et l’activation de son catabolisme sous régulation circadienne dans les tissus sénescents a été mise en évidence. Une approche combinée de transcriptomique et de métabolomique a permis de démontrer une variabilité génotypique importante dans les processus de dégradation et de transport des protéines, glucides et acides aminés entre deux génotypes à forte ERA. De la même manière, des relati / Oilseed rape is a very demanding oleaginous crop for nitrogen inputs associated with a low nitrogen use efficiency (NUE). The main challenge to improve the agri-environmental balance of oilseed rape is to optimize the NUE, especially under nitrogen deprivation. The NUE is limited by a low nitrogen remobilization efficiency (NRE) during leaf senescence. The aim of this thesis was to define the metabolome topology and orientation associated with NRE during leaf senescence in oilseed rape.The results show that leaf metabolome dynamically evolves throughout their vegetative growth, until their fall. Metabolome was found specific to each leaf rank, reflecting the trophic and environmental relationships related to the leaf positioning in the canopy. These specificities are associated with variations in carbohydrates, amino acids, glucosinolates and coumarins contents in close connection with the phytohormonal regulation of leaf development and with their translocation in the phloem.In particular, the activation of Proline circadian-controlled catabolism in senescent tissues was demonstrated. Finally, significant variations in the degradation and transport of proteins, carbohydrates and amino acids between two highly efficient NRE genotypes were highlighted using a combined transcriptomic and metabolomic approach. Similarly, a close relationship has been described between the genes expression levels and the metabolic content involved to increase NRE under low nitrogen input.The results are discussed regarding nitrogen remobilization improvement and more generally nutrients i

Le Cancer, l’une des pathologies les plus fréquentes au sein de la population, possède encore actuellement un taux de morbi-mortalité important tous sexes confondus, et ce malgré les importants progrès diagnostiques et thérapeutiques réalisés. D’un point de vue diagnostique, dans une approche dite de « Biologie de systèmes », en complément de l’étude anatomo- pathologique qui reste la référence, de nouvelles techniques ont été développées pour la caractérisation de profils métaboliques (Métabolomique) d’échantillons tissulaires pathologiques ou non, parmi lesquelles la Spectroscopie RMN HRMAS. Après un bref rappel théorique et avoir dressé le bilan des applications de cette technique en Cancérologie, nous avons exposé les différentes étapes du protocole à mettre en place afin d’envisager son implémentation dans un cadre hospitalier. L’ensemble des résultats présentés permettent d’envisager l’utilisation de cette technique en pratique clinique courante. Il faut néanmoins valider la robustesse des modèles statistiques élaborés et confirmer ces résultats sur de plus grandes cohortes d’échantillons. Des développements technologiques, analytiques et statistiques sont également nécessaires. / Cancer, one of the most frequent pathologies among the population, has still an important morbidity-mortality rate all sex confounded, despite the important diagnostical and therapeutical progresses achieved. From a diagnostical point of view, in a so called “Systems Biology approach”, as a complement of the gold standard histopathological study, some new techniques have been developed for the characterization of metabolic profiles (Metabolomics) of tissular samples pathological or not, among which HRMAS NMR Spectroscopy. After some brief theoretical considerations and after reporting the applications of this technique in Cancerology, we exposed the different steps of the protocol to design in order to consider its implementation in a hospital set up. All the results presented allow considering the use of this technique in a clinical routine. Nevertheless, it is necessary to validate the robustness of the statistical models built and to confirm these results on much larger cohorts of samples. Some technical, analytical and statistical developments are also needed.

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La spectroscopie RMN Haute Résolution en Rotation à l’Angle Magique (HRMAS) permet la caractérisation métabolomique tissulaire. Nous avons caractérisé par RMN HRMAS le profil métabolomique des glandes parathyroïdiennes hypersécrétantes. Celui de l’hyperparathyroïdie primaire (HPT1) a été comparé à celui des HPT rénales. Au sein des HPT1, la distinction a pu être faite entre pathologie uni- et multi-glandulaire. Le profil métabolomique du tissu pancréatique sain a été comparé à celui du tissu tumoral. Aussi, les patients longs/courts-survivants ont pu être distingués. La relation entre le phénotype métabolique et la survie des patients a été étudiée. Le profil métabolomique des TIPMP a été caractérisé. Les TIPMP non dégénérées et dégénérées ont été comparées. Le risque de dégénérescence a été corrélé au profil métabolomique. Nos résultats montrent que la spectroscopie RMN HRMAS est une technique prometteuse pour l’étude du profil métabolomique des HPT et des pathologies pancréatiques. / High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) NMR spectroscopy allows metabolomics of intact tissues. Metabolomics profiling of hyperfunctioning parathyroid glands were characterized were characterized by using HRMAS NMR spectroscopy. Primary hyperparathy- roidism (PHPT) was compared to renal HPT. Among PHPT, we distinguished single gland disease from multiple gland disease. Pancreatic parenchyma and adenocarcinoma were compared. Thus, long-term and short-term survival patients were distinguished. The relationship between the survival of patients and their metabolic phenotype was studied. Metabolomics profiling of IPMN was also examined. IPMN with no degeneration and de- generated IPMN were compared. Finally, the risk of degeneration was correlated with the metabolomics profile. Our results show that HRMAS NMR spectroscopy is a promising technique in view of studying metabolomic profiling of HPT and pancreatic diseases.

La principale limite en chirurgie hépatobiliaire est représentée par l’insuffisance hépatocellulaire (IHC) posthépatectomie (Hx) ou la dysfonction du greffon (EAD) après transplantation (TH). Peu d’études ont évalué le métabolisme du foie dans son ensemble, du fait du manque de technique utilisable en clinique. La métabolomique HR-MAS-RMN pourrait pallier à ce manque. Le but de cette thèse était d’évaluer l’apport de cette technique en chirurgie hépatobiliaire.En TH (n=42), le profil métabolique (PM) prédisait le risque d’EAD et identifiait le lactate et la phosphocholine comme biomarqueurs permettant d’envisager un matching métabolique. Après Hx majeure (n=45), le PM prédisait la survenue d’un décès par IHC. Ce PM différait du profil cirrhotique en décompensation et était compatible avec celui de système cellulaire prolifératif. Une étude préliminaire montrait que le PM prédisait la récidive à 1 an après hépatectomie. Ce travail montre l’intérêt de la métabolomique par HR MAS RMN pour prédire l’issue d’une Hx ou d’une TH dans un temps compatible avec la clinique. Ces données orientent vers la piste de l’intervention métabolique en chirurgie hépatique. / One of the main limits in liver surgery is the risk of liver failure (LF) after hepatectomy (Hx) or graft dysfunction (EAD) after liver transplantation (LT). Few studies have evaluated global liver metabolism, probably due to the lack of clinically relevant techniques. HR-MAS-NMR metabolomics may fulfill this lack and the goal of this work was to evaluate its capacity to predict early outcomes after hepatectomy and LT. In LT (n=42), metabolic profile predicted EAD and lactate and phosphocholine were potent biomarkers providing means for metabolic matching. In liver biopsies harvested at the end of major Hx (n=45), metabolic profile predicted PHLF. The profile at risk of LF differed from that of decompensated cirrhosis but correlated to that of proliferative multicellular systems. A preliminary study showed that the metabolic profile predicted the risk of liver metastases recurrence at 1 year. This work underlines the potential value of HR-MAS-NMR metabolomics in the prediction of short-term outcomes in liver surgery. It provides clues to be further investigated for future evaluation of metabolic intervention in the field of liver surgery.

Le cancer est la première cause de morbi-mortalité dans le monde. La recherche de biomarqueurs diagnostiques, pronostiques et prédictives de la réponse aux traitements est capitale dans l’amélioration de la prise en charge de ce fléau mondial. Nous avons choisi une technique récente qui est la spectroscopie RMN HRMAS et des méthodes d’analyse statistique robustes (PCA et PLS-DA), afin d’établir les profils métaboliques des cancers épithéliaux de l’ovaire et des cancers mammaires. Nous avons établi, après un rappel théorique de la spectroscopie RMN HRMAS, un état d’art des applications médicales de cette technique, notamment gynécologiques chez la femme et urogénitales chez l’homme. Nous avons décrit les différentes étapes de la démarche établie pour l’analyse spectrale : préparation de l’échantillon tissulaire, acquisition RMN et analyse statistique. Nous avons montré que cette technique, permettant une analyse rapide (20 min) et non destructive d’échantillons tissulaires intacts, est applicable à la prise en charge thérapeutique des patientes atteintes de carcinomes ovariens et mammaires. Elle a permis, dans le cas des cancers de l’ovaire, de caractériser métaboliquement les trois types histologiques (séreux, endométrioïdes et mucineux) et le tissu ovarien sain, de générer des modèles statistiques permettant de classer les tumeurs borderline et de prédire la survie des patientes et la réponse à la chimiothérapie. Dans le cas des cancers du sein, elle a permis de discriminer métaboliquement les carcinomes mammaires, les fibroadénomes et le tissu sain et d’étudier métaboliquement les différents indicateurs histologiques des ces carcinomes. Nous projetons de confirmer ces résultats préliminaires très encourageants sur une plus grande cohorte. / Cancer is the leading cause of morbidity and mortality worldwide. The search for diagnostic, prognostic and predictive biomarkers of response to treatment is crucial in improving the management of this global scourge. We chose a new technique that is HRMAS NMR spectroscopy and robust statistical analysis methods (PCA and PLS-DA), to establish the metabolic profiles ofepithelial ovarian and breast cancers. We have determined, after a theoretical reminder of HRMAS NMR spectroscopy, a state of the art including medical applications of this technique, mainly gynecological in woman and uro-genital in man. We describe the different steps of the process established for spectral analysis : preparation of tissue sample, NMR acquisition and statistical analysis. We showed that this technique, allowing a rapid analysis (20 min) and non-destructive of intact tissue samples, is applicable to the therapeutic management of patients with breast and ovarian carcinomas. It has, in the case of ovarian cancer, characterize metabolically the three histological types (serous, endometrioid and mucinous) and healthy ovarian tissue, generate statistical models to classify borderline tumors and predict survival patients and response to chemotherapy. In the case of breast cancer, it could discriminate metabolically breast carcinomas, fibroadenomas and healthy tissue and study metabolically different histological indicators of these carcinomas. We plan to confirm these very encouraging preliminary results in a larger cohort.

Cette thèse présente une approche multicompartimentée en métabolomique appliquée au diagnostic des tumeurs indéterminées de la thyroïde et à la caractérisation de l’effet du fructo-oligosaccharide sous condition de régime hyperlipidique chez la souris. L’objectif était de montrer qu’une telle approche permettrait de visualiser de façon plus globale des modulations du métabolisme induites, et par conséquent, d’améliorer la pertinence des marqueurs discriminants identifiés. Dans le cas de l'analyse nutritionnelle, l’analyse mono-compartimentée des différentes organes/segments intestinaux des souris ont permis de mettre en évidence les voies métaboliques affectées par le régime hyperlipidique mais pas d’observer un effet significatif du prébiotique FOS. Dans le cas du cancer de la thyroïde, l’étude multicompartimentée n’a pas pu être mise en place dans de bonnes conditions (problème de prélèvement d’échantillons). Cependant, l’analyse métabolomique monocompartimentée basée sur l’analyse HR-MAS des ponctions prélevées à l’aiguille fine a mené à une discrimination significative entre les lésions bénignes et malignes avec une prédictivité similaire aux tests moléculaires actuellement disponibles. En parallèle, nous avons exploré la technique HR-MAS à rotation lente dans le but de préserver l’intégrité des tissus au cours des expériences. L’utilisation de cette technique s’accompagne d’un certain nombre d’inconvénients que nous avons contournés en utilisant des séquences RMN particulières, et en mettant en place un protocole robuste de préparation d’échantillons. Enfin, nous avons évalué le filtre T1ρ et son application en métabolomique comme alternative au filtre T2. / This thesis presents a multicompartmental metabolomics approach applied to the diagnosis of indeterminate thyroid tumours and to the characterization of the effect of fructo-oligosaccharide (FOS), a prebiotic, under high fat diet condition in a mouse model. The aim of this project is to show that such approach could lead to a more global visualization of the induced metabolic modulations, and therefore, improve the identified discriminant markers relevance. Regarding the diet study, the mono-compartmental analysis of the different mouse organs/intestine segments enabled us to identify metabolic pathways affected by the high fat diet whereas the effect of FOS could only be characterized for the feces samples collected at day 28. Regarding the thyroid cancer study, the multi-compartmental approach could not have been continued due to sample handling issues. However, the classical metabolomics analysis of the fine-needle aspiration biopsies (FNAB) from patients with benign or malignant tumours led to a clear discrimination between both groups with a predictivity similar to that of commercial diagnosis tests. In the meantime, we explored the slow-spinning NMR HR-MAS technique in order to preserve the integrity of the tissues during the experiments. The use of this technique is accompanied by a number of drawbacks that we have avoided using special NMR sequences, and putting in place a robust protocol for sample preparation. Finally, we evaluated the T1ρ filter and its applications to metabolomics as an alternative to T2 filter.

La vigne a une importance économique majeure au niveau mondial. La plupart des vignobles sont greffés et comportent une variété (cépage, Vitis vinifera) greffée sur des porte-greffes de Vitis sauvages (hybrides de V. berlandieri, V. riparia et V. rupestris). Le potentiel qualitatif du raisin à la vendange dépend d’un équilibre subtil entre teneur en sucres, acidité, concentration en polyphénols et en précurseurs d’arômes. Les mécanismes contrôlant l’équilibre sucres/acides/polyphénols sont influencés par différentes contraintes abiotiques auxquelles la vigne est soumise, en particulier l’azote, en interaction avec le matériel végétal (cépage et porte-greffe). Des travaux antérieurs suggèrent par ailleurs qu’une partie des effets de la contrainte hydrique sont en fait liés à une carence azotée entraînée indirectement par la diminution d’absorption d’eau. Le système racinaire (porte-greffe) joue un rôle important dans l’absorption, la réduction, le transport et le stockage de l’azote, et dans l’équilibre hydrique de la plante. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes impliqués dans la régulation de la synthèse des flavonoïdes des baies en réponse à la nutrition azotée, à la nature du porte-greffe et du greffon. Des plants des cépages Cabernet Sauvignon et Pinot Noir cultivés soit en pots en conditions semi-contrôlées soit au vignoble ont été soumis à des niveaux d’alimentation azotée différents. Les analyses agronomiques ont permis de confirmer une augmentation des teneurs en azote des différents organes de la plante (limbes, pétioles et baies) ainsi qu’une augmentation de la surface foliaire et de la masse des bois de taille sous l’effet du traitement azoté. Les analyses métabolomiques des pellicules de baies révèlent une accumulation de métabolites secondaires dont la nature diffère en fonction des différentes combinaisons porte-greffe/greffon. De plus, une augmentation de la synthèse d’anthocyanes et des flavonols a été observée dans les pellicules de baies en réponse à la diminution de la nutrition azotée. L’apport azoté se traduit aussi par une augmentation du degré de polymérisation moyen des tannins, alors que les teneurs en flavan-3-ols et procyanidines des pépins et des pellicules ne sont pas affectées par les différents apports azotés. Les analyses transcriptomiques globales (génome complet) et ciblées (qPCR) ont mis en évidence des modifications des transcrits de gènes liés au métabolisme des flavonoïdes en réponse à la nutrition azotée. La variation de l’apport azoté influence également l’expression des gènes régulateurs positifs (facteurs de transcription de type MYB) et négatifs (protéine de type Lateral organ Boundary Domain (LBD)) des gènes de la biosynthèse des flavonoïdes chez la vigne. / Grapevine has a major economic importance worldwide. Most vineyards are grafted and include a variety (Vitis vinifera) grafted over a wild Vitis rootstock (hybrids of V. berlandieri, riparia and rupestris). Grape berry quality at harvest depends on a subtle balance between acidity and the concentrations of sugars, polyphenols and precursors of aroma compounds. The mechanisms controlling the balance of sugars/acids/polyphenols are influenced by the abiotic environment, in particular nitrogen supply, and interact with the genotypes of both the scion variety and the rootstock. Previous work suggests that some of the effects of water stress are in fact linked to a nitrogen deficiency driven indirectly by the reduction of water absorption. The root system (i.e rootstock) plays an important role in the uptake, reduction, transport and storage of nitrogen, and the water balance of the plant. In this context, we studied the mechanisms involved in the regulation of the synthesis of flavonoids in berries in response to nitrogen nutrition with different scion/rootstock combinations. Two varieties (Cabernet Sauvignon and Pinot Noir) were subjected to different nitrogen supplies in two experimental systems, in pots under semi-controlled conditions and in a vineyard. Agronomic analysis confirmed that high nitrogen supply increased the nitrogen content of different organs (leaf blades, petioles and berries) as well as leaf surface area and cane pruning weight. Metabolomic analyses of berry skins revealed an accumulation of secondary metabolites whose nature depended on the different rootstock/scion combinations studied. In addition, an increase in the synthesis of anthocyanins and flavonols was observed in the berry skins in response to the decrease in nitrogen nutrition. High nitrogen supply also increased the average degree of polymerization of tannins, while the contents of flavan-3-ols and procyanidins in the seeds and skins of the berries were not affected. Global transcriptome (using RNA sequencing) and targeted (qPCR) analyses showed changes in the abundance of transcripts of genes related to the metabolism of flavonoids in response to nitrogen status. Nitrogen supply also influenced the transcript amounts of positive (MYB) and negative (Lateral Boundary Organ Domain) transcription factors controlling of the biosynthesis of flavonoids.

L'Athérosclérose est la principale cause de décès et d'invalidité dans le monde. L'implication du système rénine-angiotensine-aldostérone (RAAS) dans le développement de la maladie est expérimentalement et cliniquement bien documentée. Toutefois, en raison de la complexité du système, ces études ne donnent pas de vision claire sur l'association entre le système et la maladie. À cet égard, nous avons étudié l'organisation fonctionnelle d'un ensemble de 37 gènes codant pour les composants classiques et nouvellement découverts du RAAS, y compris les substrats, les enzymes et les récepteurs. Cet ensemble a été appelé RAAS étendu (extRAAS). En utilisant une analyse statistique des données du transcriptome de l'athérome carotidien humain, nous avons révélé des caractéristiques spéciales de l'expression de l'extRAAS associées au remodelage athéromateux. Une caractéristique importante de ce modèle est la coordination de 2 groupes de gènes qui sont connus pour favoriser la formation de l'athérome. Le premier groupe est constitué de gènes codant pour les peptidases de l'angiotensine, y compris ACE, CTSG, CTSD et RNPEP. Le deuxième groupe est constitué des gènes codant pour les récepteurs AGTR1, MR, GR et LNPEP / Atherosclerosis remains and continues to be the leading cause of death and disability in the world. The implication of Renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) in the development of the disease is well experimentally and clinically documented. However, due to the complexity of the system, these studies remain dispersed and give no clear global view of the association between the system and the disease. In this regard, we studied the functional organization of a set of 37 genes encoding classical and newly discovered RAAS participants, including substrate, enzymes and receptors. This set was called extended RAAS (extRAAS). Using statistical analysis of human carotid atheroma transcriptome involving gene clustering, we revealed special features of extRAAS expression associated with atheromatous remodeling. An important feature of this pattern was the coordination of 2 clusters of genes that are known to favor atheroma formation. The first cluster constitutes genes that encode for angiotensin peptidases, including ACE, CTSG, CTSD and RNPEP. Whereas the second encode for receptors (AGTR1, MR, GR and LNPEP). We hypothesized that the local pattern of extRAAS gene expression plays a key role in the development of atherosclerosis by orienting the metabolism of active peptides