La perte de mémoire est un des premiers symptômes caractéristiques de la maladie d’Alzheimer (MA). Dans les cerveaux des patients, on retrouve des dépôts extracellulaires de plaques amyloïdes ainsi que des agrégats intracellulaires de la protéine tau. Les patients présentent également des déficits du métabolisme cérébral du glucose, une quinzaine d’années avant les premiers défauts cognitifs, suggérant que le métabolisme pourrait contribuer à la physiopathologie de la MA. Pour mieux comprendre les mécanismes qui relient le métabolisme énergétique et l’activité synaptique, nous nous sommes intéressés à la production de L-serine, une molécule dont la synthèse de novo dérive d’un intermédiaire de la glycolyse. La L-serine est le précurseur de la D-sérine, un acide aminé en conformation D présent en grande quantité dans le cerveau. La D-sérine est un co-agoniste des récepteurs au N-méthyl-D-aspartate (NMDA-R) nécessaire à la potentialisation à long terme (LTP) de l’activité synaptique dans l’hippocampe. La voie de biosynthèse de la L-serine est ainsi à l’interface entre métabolisme énergétique et activité synaptique. Afin d’étudier le rôle de cette voie, nous avons mis au point un modèle de délétion conditionnelle de la Phgdh, la première enzyme de la voie de biosynthèse de la L-serine. Nous avons injecté par stéréotaxie des vecteurs adéno-associés permettant l’expression de la Cre recombinase dans l’hippocampe de souris Phgdh(flox/flox), une lignée de souris qui possède des sites LoxP autour des exons 4 et 5 du gène de la Phgdh. Nous avons validé ce modèle en montrant que l’expression de Phgdh ainsi que les taux de D-serine diminuent d’environ 60% dans l’hippocampe des souris injectées. Nous avons ensuite réalisé des enregistrements électrophysiologiques sur tranches et nous avons mis en évidence une diminution de la LTP dans l’hippocampe des souris injectées avec la Cre recombinase. Ces souris présentent également un déficit de mémoire à long terme mis en évidence avec le test de la piscine de Morris. Ces déficits sont restaurés lorsque les souris reçoivent chroniquement un régime enrichi en L-serine. Ces résultats montrent que la biosynthèse de sérine est nécessaire et suffisante pour la plasticité synaptique et la mémoire à long terme.Afin d’étudier le rôle de cette voie dans la MA, nous avons mesuré l’expression de différentes enzymes dans des extraits d’hippocampes de patients atteints de MA et nous avons mis en évidence des changements significatifs dès les stades intermédiaires. Finalement, nous avons étudié un modèle murin de MA, les souris 3xTg, qui présentent des déficits métaboliques, synaptiques et comportementaux. Les déficits de LTP sont restaurés en ajoutant de la L- ou de la D-sérine de façon aigue sur les tranches d’hippocampe. Nous montrons que le déficit de mémoire spatiale à long terme peut être restauré par une supplémentation chronique en D-sérine, suggérant l’importance de cette voie dans le contexte de la MA. / Memory loss is among the first symptoms reported by patients suffering from Alzheimer’s disease (AD). AD is characterized by extracellular amyloid plaques and intracellular aggregations of tau. A decrease of brain glucose metabolism has also been described in the brain of AD patients. Since this decrease appears decades before memory loss, we hypothesize that metabolic deficits could directly contribute to AD physiopathology. To understand the mechanisms linking brain metabolism and synaptic activity, we proposed to study the production of L-serine, a signaling molecule whose de novo synthesis diverts part of the glycolytic flux. L-serine is the precursor of D-serine, a co-agonist of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDA-R) that is required to maintain long term potentiation (LTP) of synaptic activity in the hippocampus. Since both L- and D-serine are formed through the activity of the Phosphorylated Pathway that diverts part of the glycolytic flux, any metabolic deficits may impact synaptic activity.We developed a model of conditional Phgdh deletion, the first enzyme of the phosphorylated pathway, by stereotaxically injecting Adeno-Associated Vectors allowing the expression of Cre recombinase in the hippocampus of Phgdh(flox/flox) mice, a mice strain with loxP sites flanking exons 4 and 5 of Phgdh gene. We validated this model showing that Phgdh expression and D-serine level are decreased by 60% in the hippocampus of injected mice. We performed electrophysiological recordings and showed that LTP is significantly reduced in mice injected with Cre recombinase. Those mice also show long term memory deficits in the Morris Water Maze test. Those deficits are restored by chronically feeding Cre injected mice with a diet enriched in L-serine indicating that serine biosynthesis is necessary and sufficient for synaptic plasticity and long term memory.To assess whether this pathway may be involved in AD pathogenesis, we quantified the expression of several enzymes of the serine biosynthesis pathway in human brain samples and found major changes in AD patients even at intermediate stages. To further investigate this hypothesis, we used 3xTg-AD mice, a mouse model for AD showing deficits in brain metabolism, synaptic activity and cognition. LTP deficits in 3xTg mice are restored by acute supplementation of L- or D-serine on hippocampal slices. We show that chronic administration of D-serine restores long term spatial memory. It suggests that serine biosynthesis is an important pathway in AD.

La maladie d’Alzheimer est la démence sénile la plus répandue dans le monde. C’est une maladie neurodégénérative irréversible dont les principales caractéristiques neuropathologiques sont l’agrégation du peptide β-amyloïde et l’hyperphosphorylation de la protéine tau. Malgré de nombreux essais cliniques, la maladie d’Alzheimer reste incurable. En effet, cette pathologie est extrêmement complexe et implique de nombreux dysfonctionnements biologiques. C’est pourquoi, une des approches thérapeutiques récemment développée réside dans la conception de ligands multi-cibles. Ces molécules sont capables d’agir simultanément sur plusieurs cibles et constituent donc une approche innovante pour le traitement des maladies complexes telles que les maladies neurodégénératives. Au sein du laboratoire, un candidat médicament à double activité (inhibiteur d’acétylcholinestérase et agoniste des récepteurs 5-HT4), nommé donécopride, a récemment été décrit. Sur la base de résultats prometteurs obtenus avec le donécopride, une nouvelle série de composés à triple action a été synthétisée. En sus des activités du donécopride, cette nouvelle série possède une activité complémentaire qui réside dans le blocage des récepteurs 5-HT6. Cette thèse décrit la synthèse ainsi que l’évaluation in vitro et in vivo de ces nouveaux composés à triple action. / Alzheimer’s disease is the most common senile dementia in the world. It is an irreversible neurodegenerative disease whose main neuropathological hallmarks are β-amyloid peptide aggregation and hyperphosphorylation of tau protein. Despite numerous clinical trials, Alzheimer’s disease remains incurable. Indeed, this pathology is extremely complex and involves the dysfunction of multi-systems. That is why, one of the recently developed therapeutic approaches lays in the design of multi-target-directed ligands. These molecules are capable to simultaneously engage several targets and therefore represent an innovative approach to treat complex disease such as neurodegenerative disorders. Within the laboratory, a dual-activity drug candidate (acetylcholinesterase inhibitor and 5-HT4 receptor agonist) named donecopride was recently described. Thanks to the promising results obtained with donecopride, a new series of triple-activity compounds has been synthesized. This new series combines an additional activity that aims to block the 5-HT6 receptors. This thesis describes the synthesis and the in vitro and in vivo evaluation of these new triple-acting compounds.

Un tiers de la population européenne est touché par au moins un trouble du cerveau. En effet, la maladie d’Alzheimer, et les gliomes, représentent respectivement le syndrome de démence et les tumeurs cérébrales les plus fréquentes chez l’homme. Plusieurs études épidémiologiques ont montré l’existence d’une corrélation inverse entre le risque de développer une maladie neurodégénérative et un cancer cérébral. Ceci suggère la présence de dénominateurs moléculaires communs entre ces pathologies. Dans les deux cas, un dysfonctionnement mitochondrial est rapporté, représentant une caractéristique partagée par ces deux troubles neurologiques. La protéine kinase mitochondriale PINK1 responsable, lorsqu’elle est mutée, d’une forme précoce et familiale de Parkinson, est particulièrement impliquée dans les processus de maintien de l’homéostasie mitochondriale. Par conséquent, les mécanismes moléculaires régulant PINK1 ainsi que leurs impacts au cours des désordres mitochondriaux répertoriés dans la maladie d’Alzheimer et les tumeurs cérébrales, ont suscité un intérêt central, lors de ma thèse. Au cours de ce travail, nous avons examiné certaines des fonctions mitochondriales de PinK1, associées au maintien de l’homéostasie mitochondriale dans un contexte « Alzheimerisé ». Nous mettons en évidence le rôle de la γ-secretase dans la physiologie mitochondriale en contrôlant la régulation transcriptionnelle de PINK1 par l’AICD, le fragment généré conjointement avec le peptide amyloïde toxique Aβ, à partir du précurseur βAPP. Nous montrons de surcroît, l’initiation de cette régulation par la parkine. / One third of the European populations is affected by a brain disorder. Thus, Alzheimer’s disease and gliomas represent the most frequent human brain dementia syndrome and tumor type, respectively. Several epidemiological studies have shown an inverse relationship between the risk of developing a neurodegenerative disease and a brain tumor, suggesting the existence of common molecular denominators between these pathologies. Interestingly, both pathologies are characterized by a mitochondrial dysfunction. The mitochondrial kinase associated to autosomal recessive Parkinson’s disease, PINK1, is particularly implicated in the control of mitochondrial homeostasis. The main objective of my thesis was to study the molecular mechanisms underlying PINK1 gene regulation and their link with the mitochondrial dysfunction observed in either Alzheimer’s disease or gliomas. Thus, during my thesis we have examined the ability of PINK1 to control mitochondria homeostasis in an Alzheimer’s pathological context. We demonstrate that AICD, a cleavage product of the trans-membrane protein βAPP by γ-secretase, impacts mitochondrial physiology via its ability of positively controlling PINK1 transcription. In addition, we show that the signaling cascade linking γ-secretase and PINK1 is initiated by parkin transcriptional regulation of presenilins, the main component of γ-secretase catalytic complex. Finally, we also establish that the tumor suppressor p53 can negatively regulate PINK1 transcription in vitro and in vivo suggesting that the misregulated autophagic response associated to brain tumors development may be caused by defective p53-PINK1 interplay.

La maladie d’Alzheimer (MA), la forme la plus répandue de démence, est caractérisée par une accumulation cérébrale de plaques amyloïdes formées de peptide beta-amyloïde, et d’enchevêtrements neurofibrillaires (NFT) de protéine tau anormalement phosphorylée (P-tau). Depuis plusieurs années, l’évidence d’une implication majeure d’altérations synaptiques dans la pathologie a émergée. De plus, il a été observé dans les cerveaux MA que les héparanes sulfates (HS), normalement extracellulaires, accumulent à l’intérieur des neurones, où ils co-localisent avec tau. Le laboratoire CRRET a mis en évidence que la 3-sulfotransferase 2 (HS3ST2), enzyme prédominante dans le cerveau où elle génère des HS 3-O-sulfatés (3S-HS) de rôle inconnu, est impliquée dans les mécanismes à l’origine de la tauopathie. Puisque la HS3ST2 et les 3S-HS n’ont jamais été caractérisés à la synapse où ils pourraient participer au développement de la tauopathie, les objectifs de ce travail sont : 1) déterminer si la HS3ST2 et les 3S-HS sont présents à la synapse et étudier des possibles rôles physiologiques ; 2) déterminer si les 3S-HS accumulent au niveau intracellulaire dans des cellules neuronales et/ou dans de synaptosomes issus d’un modèle murin de tauopathie ; et 3) examiner si les 3S-HS intracellulaires produits par la HS3ST2 sont impliqués dans le développement ou évolution de la tauopathie au niveau synaptique.Dans ce travail, nous avons montré la présence des 3S-HS et de la HS3ST2 à la synapse de cellules hippocampiques et accumulé des preuves de leur implication dans la stabilité et l’activité synaptique, toutes deux altérées par des peptides se liant aux 3S-HS ont pu bloquer cette activité. Nous avons implémenté et caractérisé le modèle murin de tauopathie rTg4510 et mise en place les cultures primaires de leur neurones hippocampiques. Dans ces cellules, nous avons montré l’accumulation intracellulaire des 3S-HS et une surexpression de la HS3ST2 corrélant avec l’accumulation de P-tau. La digestion enzymatique des HS dans les synaptosomes a résulté dans l’inhibition de la tauopathie.Ce travail révèle pour la première fois un rôle fondamental de la 3-O-sulfatation des chaines d’HS à la synapse, aussi bien dans des conditions physiologiques que pathologiques. Pour la première fois, l’enzyme HS3ST2 est décrite à la synapse. De plus, ce travail donne la preuve d’un lien fort entre l’expression d’HS3ST2, l’accumulation de 3S-HS et la tauopathie au niveau synaptique, ouvrant de nouvelles opportunités pour mieux comprendre la MA. / Alzheimer’s disease (AD), the main form of dementia in the world, is characterized by brain accumulation of amyloid plaques formed of amyloid beta, and neurofibrillary tangles (NFT) made of tau protein in an abnormally hyperphosphorylated form (P-tau). Strong evidences show that synaptic changes are central to the disease process. Moreover, previous observations in AD have shown that heparan sulfates (HS), typically present outside the cell , accumulate inside neurons of AD in where they interact with tau. Recently, the CRRET laboratory demonstrated that the neural 3-O-sulfotransferase 2 (HS3ST2), which generates 3-O-sulfated HS (3S-HS) of still unrevealed physiological roles, is involved in the mechanisms leading to tauopathy. Since it was unknown whether HS3ST2 and 3S-HS are expressed at the synapse and if there they participate to tauopathy development and/or evolution, the objectives of this work were: 1) to determine if HS3ST2 and 3S-HS are present at the synapse and to get insights on their physiological role; 2) to investigate whether 3S-HS accumulate intracellularly in hippocampal cells and/or in synaptosomes from a mice model of tauopathy; and 3) to investigate whether intracellular 3S-HS made by HS3ST2 are involved in tauopathy development and/or evolution at the synaptic level.We described here the presence of 3S-HS and HS3ST2 at the synapse and the role that may play 3S-HS in maintaining synaptic transmission and stability in primary cell culture from mice. These roles are the results of potential multiple implications of 3S-HS in various processes. Secondly, we implement and characterized the rTg4510 mice model of AD-related tauopathy and set primary cultures of hippocampal cells from these mice. In the tauopathic cells, we showed the intracellular accumulation of 3S-HS and HS3ST2 overexpression. Finally, we cleaned P-tau in synaptosomes from the rTg4510 mice aged of 2 months by digesting HS.The present work reveals, for the first time, the presence and a possible fundamental role of HS3ST2 and 3S-HS at the synapse. We give evidences of an interplay between 3S-HS, produced by HS3ST2, and tau and the synaptic level, leading to its abnormal phosphorylation. The results of these work open a new way to understand the phenomenon leading to synaptic impairment in AD patients and could reveal new targets to elaborate protection strategies against the AD pathological lesions.

L’histologie est la méthode de choix pour l’étude ex vivo de la distribution spatiale des molécules qui composent les organes. En particulier, l’histologie permet de mettre en évidence les marqueurs neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer ce qui en fait un outil incontournable pour étudier la physiopathologie de la maladie et pour évaluer l’efficacité de candidats médicaments. Classiquement, l’analyse de données histologiques implique de lourdes interventions manuelles, et de ce fait, est souvent limitée à l’analyse d’un nombre restreint de coupe histologiques et à quelques régions d’intérêts. Dans ce travail de thèse, nous proposons une méthode automatique pour l’analyse quantitative de marqueurs histopathologiques en trois dimensions dans le cerveau entier de rongeurs. Les images histologiques deux-dimensionnelles sont d’abord reconstruites en trois dimensions en utilisant l’imagerie photographique de bloc comme référence géométrique et les marqueurs d’intérêts sont segmentés par apprentissage automatique. Deux approches sont proposées pour détecter des différences entre groupes d’animaux: la première est basée sur l’utilisation d’une ontologie anatomique de cerveau qui permet détecter des différences à l’échelle de structures entières et la deuxième approche est basée sur la comparaison voxel-à-voxel afin de détecter des différences locales sans a priori spatial. Cette méthode a été appliquée dans plusieurs études chez des souris modèles de déposition amyloïde afin d’en démontrer l’utilisabilité. / Histology is the gold standard to study the spatial distribution of the molecular building blocks of organs. In humans and in animal models of disease, histology is widely used to highlight neuropathological markers on brain tissue sections. This makes it particularly useful to investigate the pathophysiology of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and to evaluate drug candidates. However, due to tedious manual interventions, quantification of histopathological markers is classically performed on a few tissue sections, thus restricting measurements to limited portions of the brain. Quantitative methods are lacking for whole-brain analysis of cellular and pathological markers. In this work, we propose an automated and scalable method to thoroughly quantify and analyze histopathological markers in 3D in rodent whole brains. Histology images are reconstructed in 3D using block-face photography as a spatial reference and the markers of interest are segmented via supervised machine learning. Two complimentary approaches are proposed to detect differences in histopathological marker load between groups of animals: an ontology-based approach is used to infer difference at the level of brain regions and a voxel-wise approach is used to detect local differences without spatial a priori. Several applications in mouse models of A-beta deposition are described to illustrate 3D histopathology usability to characterize animal models of brain diseases, to evaluate the effect of experimental interventions, to anatomically correlate cellular and pathological markers throughout the entire brain and to validate in vivo imaging techniques.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par l’accumulation de protéines β-amyloïde (Aβ) et Tau malconformées. L’hypothèse que la MA soit transmissible de manière similaire à celles des maladies à prion est un sujet d’intense recherche. L’objectif de cette thèse est d’étudier la transmission des endophénotypes de la maladie d’Alzheimer par l’inoculation intracérébral d’homogénats de patients souffrant de MA.Tout d’abord, nous avons montré que la transmission expérimentale de la MA accélère l’amyloïdose dans des modèles murins d’amyloïdose génétique précoce et tardive. Ensuite, nous avons observé le développement d’altérations fonctionnelles et morphologiques semblables à celles observées dans la MA chez le primate microcèbe (Microcebus murinus) et accompagnées d’une amyloïdose subtile sans pathologie Tau. Une telle transmission en l’absence de sévères lésions neuropathologiques a été rapportée dans les maladies à prions mais jamais dans le contexte de la MA. Nos résultats suggèrent que les agents responsables des altérations observées puissent être des formes d’Aβ et/ou Tau non détectées en immunohistochimie et pouvant être transmises expérimentalement. En conclusion, nos résultats supportent l’hypothèse de type prion de la MA et le consensus actuel sur la toxicité des formes solubles d’Aβ et Tau. Pour finir, ils soutiennent la possibilité que l’amyloïdose soit transmissible chez l’Homme sous certaines conditions et appellent à l’évaluation des impacts fonctionnels chez les sujets à risque de contamination. / Alzheimer's disease (AD) is characterized by the accumulation of misfolded β-amyloid (Aβ) and Tau proteins. There has been longstanding interest as to whether AD might be transmissible similarly to prion diseases. Our objective was to study the transmissibility of AD endophenotypes after AD brain intracerebral inoculation in mice and primates.First, we showed that AD experimental transmission accelerated Aβ pathology in two rodent models of early or late genetic β-amyloidosis. Then, we focused on a primate model of sporadic AD, the mouse lemur (Microcebus murinus). AD-inoculated adult lemurs progressively developed cognitive impairments, neuronal activity alterations and cerebral atrophy. AD-inoculated mouse lemurs also developed subtle β-amyloidosis in the absence of Tau pathology, 18 months after inoculation. The transmission of an AD-like pathology in the absence of severe neuropathological lesions is striking. Such observations have already been reported for prion diseases but never in the context of AD. Our results suggest that agents leading to AD-like alterations may be not immunohistopathological-detectable forms of Aβ or Tau proteins and transmitted experimentally.In conclusion, our results support the “prion-like” hypothesis of AD and provide further arguments for a dichotomy between the toxicity of deposited and soluble assemblies of Aβ or Tau proteins. Finally, they complement recent evidence supporting iatrogenic β-amyloidosis in humans and provide strong arguments to evaluate functional outcomes in potentially contaminated individuals.

Les biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer (MA) permettraient d’identifier les processus pathologiques de la maladie plusieurs années avant l’apparition des premiers signes cliniques. Ainsi, la tomographie par émission de positons (TEP) reposant sur les radio-traceurs liant les plaques amyloïdes, a ouvert de nouvelles perspectives en matière d’identification précoce de la maladie, in vivo, très en amont des premiers symptômes. Cependant, l’utilisation de ces biomarqueurs est restée limitée à de faibles effectifs de sujets, rarement suivis au-delà de quelques mois et le coût important de ces outils nous autorise à étudier leurs performances au regard des batteries de tests cognitifs et fonctionnels dont nous disposons. L’objectif général de ce travail était d’évaluer l’intérêt de l’utilisation du TEP scanner amyloïde au sein d’une population parfaitement phénotypée de sujets âgés présentant une plainte mnésique associée ou non à des signes cliniques objectifs. Notre population d’étude était constituée de 271 participants de l’essai MAPT âgés de 70 ans et plus, sans troubles cognitifs majeurs, ayant réalisé un TEP scanner amyloïde. Dans un premier travail, nous avons comparé les caractéristiques socio-démographiques et cliniques des sujets selon la présence ou non de plaques amyloïdes et d’une atteinte de la mémoire épisodique. Dans un second travail, nous avons analysé l’association transversale entre la charge amyloïde cérébrale et les performances pour les activités instrumentales de la vie quotidienne (IADL). Enfin, dans un troisième travail, nous avons comparé l’évolution des performances pour les IADL au cours des trois années de suivi en fonction de la charge amyloïde cérébrale.Les sujets avec une charge amyloïde positive au TEP présentaient de moins bonnes performances pour les IADL que ceux ayant un scanner négatif, en dépit d’un fonctionnement cognitif comparable. La présence de plaques amyloïdes cérébrales était associée à une évolution défavorable des performances pour les IADL, malgré la prise en compte de l’âge, du groupe d’intervention dans l’essai MAPT et du génotype ApoE. Notre travail montre que la présence de plaques amyloïdes cérébrales chez des sujets ayant une plainte mnésique est systématiquement associée à une moindre capacité à réaliser les activités complexes du quotidien malgré l’absence de troubles cognitifs avérés. Néanmoins, l’absence de traitement curatif de la MA et l’incertitude quant à l’évolution à long terme des sujets asymptomatiques présentant une anomalie isolée d’un biomarqueur motivent la réalisation d’autres études longitudinales, ciblées sur les sujets les plus âgés. / The biomarkers of Alzheimer’s disease (AD) have enabled the identification of its pathological features, many years before the onset of clinical symptoms. Positon Emission Tomography (PET) using radiotracers binding the amyloid plaques has, indeed, paved the way for new perspectives. However, these biomarkers have only been studies in small populations so far, with limited follow-up. Moreover, their high costs allow us to question their performances in view of their relationship to physical and cognitive assessment instruments. The main goal of our work was to assess the interest of amyloid PET in a well-phenotyped population of elderly subjects reporting memory complaints, associated with objective cognitive impairment or not. Our studied population comprised 271 participants from the MAPT trial aged 70 and over, without major cognitive impairment, who performed amyloid PET examination. The first analysis studied the socio-demographical and clinical characteristics of individuals depending on the presence of brain amyloid deposition or episodic memory impairment. A second study examined the cross-sectional association between brain amyloid load and Instrumental Activities of Daily Living (IADL) performance. The last analysis focused of the longitudinal change in IADL abilities between amyloid positive and amyloid negative participants over the 3-year follow-up.Amyloid positive subjects showed poorer abilities in IADL compared to their amyloid negative counterparts, despite similar cognitive performance. Brain amyloid load also impacted the daily functioning of individuals over time, taking in consideration confounding factors such as age, randomization group and ApoE genotyping. These findings confirmed the relationship of brain amyloid deposition to subtle changes in IADL abilities, even in the absence of cognitive impairment. Yet, the absence of disease modifying agents as well as uncertainties regarding the long-term evolution of asymptomatic individuals showing a positive biomarker are still to be determined. Further longitudinal studies including older old participants are warranted to address these concerns.

Les microangiopathies cérébrales regroupent une large variété de maladies de petits vaisseaux dont l'étiologie diffère, mais dont l'une des principales caractéristiques est la neurodégénérescence et le déclin cognitif accompagnés par une activation de la réponse inflammatoire. Les microangiopathies cérébrales sont à l'origine des microlésions qui participeraient à la démence vasculaire (DVa) et dont la prévalence augmente dans la maladie d'Alzheimer (MA). Les démences affectent particulièrement les femmes et malheureusement, il n'existe aucun traitement curatif. L'inflammation associée aux microangiopathies cérébrales engage l'activation des microglies et le recrutement de monocytes. Ces derniers se divisent en deux sous-types, les monocytes classiques qui sont activement retrouvés au niveau des sites inflammés et contribuent à la réponse inflammatoire et les monocytes non-classiques impliqués dans le maintien de l'homéostasie vasculaire. Le rôle des monocytes non-classiques dans la pathogenèse des microangiopathies cérébrales reste cependant inconnu. Ainsi, nous postulons que les microangiopathies cérébrales modulent la cascade neurodégénérative en régulant l'inflammation et les fonctions neurovasculaires dépendamment du sexe biologique. Nous avons développé trois objectifs majeurs, à savoir l'impact des microinfarctus associés aux microangiopathies cérébrales sur l'amyloïdopathie de la MA ainsi que le rôle des monocytes non-classiques dans deux types de microangiopathies cérébrales soit les microangiopathies cérébrales sporadiques et l'angiopathie amyloïde cérébrale (AAC) associée à la MA. Bien que plusieurs études aient montré la présence de microlésions associées aux microangiopathies cérébrales dans la MA aucune ne permet de mettre en évidence une corrélation entre les deux pathologies ce qui fait donc l'objet de notre première étude. C'est pourquoi nous avons induit dans un premier temps des microinfarctus chez des souris transgéniques APP/PS1 mâles et femelles âgés de 5 mois, un âge qui représente le stade précoce de la pathologie amyloïde s'apparentant à la MA chez ces souris, et évalué l'impact sur l'amyloïdopathie, la cognition, le débit sanguin cérébral, l'inflammation et l'expression de Dickkopf-1 (DKK1) à l'aide de techniques variées. Nos résultats indiquent que l'amyloïdopathie de la MA et les microinfarctus associés aux microangiopathies cérébrales évoluent en parallèle. En effet, l'induction des microinfarctus chez les souris APP/PS1 ne développant que l'amyloïdopathie, via l'obstruction des artérioles cérébrales pénétrantes par des microemboles, réduit le dépôt d'amyloïde β (Aβ) chez les deux sexes étudiés. Ceci pourrait être le résultat de l'activation et du recrutement de cellules inflammatoires, microglies et monocytes non-classiques, retrouvées au niveau des plaques d'Aβ et des sites lésionnels associés aux microinfarctus. De plus, le blocage des artérioles perforantes impacte différemment le débit sanguin cérébral chez les deux sexes, dont sa régulation optimale est essentielle au bon fonctionnement cérébral. En effet, les mâles présentent une hypoperfusion en phase aiguë et une hyperperfusion en phase chronique après microlésions, ce qui montre une dérégulation à long terme du débit sanguin cérébral. Ceci pourrait participer aux déficits cognitifs rapides et prolongés observés. Au contraire, les femelles présentent une hypoperfusion en phase aiguë qui se normalise en phase chronique ce qui montre une dérégulation transitoire du débit sanguin cérébral et expliquerait en partie le recouvrement des capacités cognitives. D'autre part, l'expression de DKK1, une protéine jouant un rôle central dans la MA et les ischémies, est fortement induite au niveau des sites lésionnels dans le cerveau des souris mâles APP/PS1, tandis que son expression était réduite chez les femelles. Cette différence d'expression résulterait en un déclin cognitif rapide et prolongé chez les mâles et un déclin lent et transitoire chez les femelles, puisque DKK1 est une protéine inhibitrice de la voie canonique Wnt impliquée dans le maintien des fonctions cérébrales. Nos résultats suggèrent que les microinfarctus multifocaux aggravent le déclin cognitif associée à l'amyloïdopathie de la MA chez les jeunes mâles comparativement aux jeunes femelles qui sont protégées, probablement par les hormones sexuelles féminines indépendamment de la déposition de l'Aβ via la modulation du couplage neurovasculaire, de la réponse inflammatoire et de l'expression de DKK1 qui est physiologiquement réprimée par les œstrogènes. Le rôle des monocytes non-classiques retrouvés aux sites lésionnels après microangiopathies cérébrales reste méconnu et a fait l'objet des deux études suivantes. Nos investigations ont été menées sur des souris chimériques qui nous permettent de suivre les monocytes dérivés de la moelle osseuse grâce à l'expression d'un gène rapporteur, green fluorescent protein (GFP) et de manipuler leurs fonctions. Nos résultats indiquent que la dérégulation des fonctions des monocytes non-classiques exacerbe le dysfonctionnement neurovasculaire après microangiopathies cérébrales. Toutefois, leur stimulation en utilisant le muramyl dipeptide (MDP) qui est un agent immunomodulatoire synthétique, améliore les fonctions neuronales en préservant l'intégrité microvasculaire, permettant ainsi le recouvrement des capacités mnésiques. Ceci démontre que la stimulation des monocytes non-classiques pourrait être une avenue thérapeutique à explorer pour le traitement des microangiopathies cérébrales. Dans ce sens, la troisième étude dans cette thèse visait à étudier le rôle des monocytes non-classiques dans la modulation de l'AAC associée à la MA chez la souris APP/PS1. En effet, dans cette étude nous résultats montrent que la stimulation des monocytes non-classiques avec l'ARA290 qui est un analogue non-érythropoïétique durant les stades précoces de l'amyloïdopathie associée à la MA réduit l'AAC ainsi que le dépôt d'Aβ dans le parenchyme du cerveau des souris APP/PS1. Ceci a été accompagné par une amélioration des capacités cognitives des souris associée à une augmentation de la fréquence des monocytes non-classiques dans la circulation sanguine. En utilisant l'imagerie intravitale, nous avons démontré que les monocytes non-classiques sont impliqués dans l'élimination des microagrégats vasculaires d'Aβ. La déplétion spécifique des monocytes non-classiques en utilisant des souris chimériques a atténué les effets bénéfiques du ARA290. Ensemble, ces résultats nous communiquent de nouvelles informations quant au rôle des interactions immunovasculaires après microangiopathies cérébrales dans la pathobiologie et le traitement des démences. / Cerebral microangiopathies include a wide variety of diseases of the small vessels whose etiology differs, but one of their main characteristics is neurodegeneration and cognitive decline accompanied by an activation of the inflammatory response. Cerebral microangiopathies are at the origin of the microlesions that contribute to vascular dementia (VaD) and whose prevalence increases in Alzheimer's disease (AD). Dementia particularly affects women and unfortunately, there is no curative treatment. Inflammation associated with cerebral microangiopathies includes activation of microglia and recruitment of monocytes. The latter are divided into two subtypes, classical monocytes which are actively found at the inflamed sites, actively contributing to the inflammatory response, and non-classical monocytes involved in the maintenance of vascular homeostasis. The role of non-classical monocytes in the pathobiology and therapy of cerebral microangiopathies remains unknown. Thus, we postulate that cerebral microangiopathies modulate the neurodegenerative cascade by regulating inflammation and neurovascular functions depending upon the biological sex. We have developed three major objectives, namely the impact of microinfarctions associated with cerebral microangiopathies on amyloid-β (Aβ) pathology in AD as well as the role of non-classical monocytes in two types of cerebral microangiopathies, the sporadic cerebral microangiopathies and cerebral amyloid angiopathy (CAA) associated with AD. Although several studies have outlined the presence of microlesions associated with cerebral microangiopathies in AD, none allows assessing the correlation between the two pathologies, which is therefore the subject of our first study. For this purpose, we induced first microinfarcts in 5-month-old male and female APP/PS1 transgenic mice, an age representing the early stage of AD-like pathology in these mice, and evaluated the impact on Aβ pathology, cognition, cerebral blood flow (CBF), inflammation, and Dickkopf-1 (DKK1) expression using of various techniques. Our results indicate that Aβ pathology and microinfarcts associated with cerebral microangiopathies evolve in parallel. Indeed, the induction of microinfarcts in APP/PS1 mice developing only Aβ pathology, via the obstruction of penetrating cerebral arterioles by microemboli, attenuates Aβ deposition in both sexes studied. This could be the result of the activation and recruitment of inflammatory cells, microglia and non-classical monocytes, found at the level of Aβ plaques and lesion sites associated with microinfarctions. In addition, blockage of perforating arterioles impacts differently the CBF in the two sexes, whose optimal regulation is essential for cerebral functions. Indeed, males exhibit acute-phase hypoperfusion and chronic-phase hyperperfusion after microlesions, indicating long-term deregulation of the CBF. This could contribute to the rapid and prolonged cognitive deficits observed. In contrast, female mice exhibit hypoperfusion in the acute phase that normalizes in the chronic phase, outlining a transient deregulation of the CBF and would partly explain the recovery of cognitive abilities. On the other hand, the expression of DKK1, a protein playing a central role in AD and ischemic injury, is strongly induced at the lesion sites in the brain of male APP/ PS1, while its expression was reduced in females. This difference in expression would result in a prolonged cognitive decline in males and a slow and transient decline in females, as DKK1 is an inhibitor of the canonical Wnt pathway involved in maintaining cerebral functions. Our results suggest that multifocal microinfarcts worsen cognitive decline associated with amyloid Aβ pathology in AD in young males compared to young females who are protected, probably by female sex hormones independently of amyloid deposition via modulation of neurovascular coupling, inflammation, and expression of DKK1 that is physiologically repressed by estrogens. The role of non-classical monocytes found at the lesion sites after cerebral microangiopathy remains unknown and was the subject of the two following studies. Our investigations were carried out in chimeric mice which allow tracking monocytes derived from the bone marrow through the expression of a reporter gene, green fluorescent protein (GFP) and to manipulate their functions. Our results indicate that deregulation of the function of non-classical monocytes exacerbates neurovascular dysfunction following cerebral microangiopathies. However, their stimulation using muramyl dipeptide (MDP), which is a synthetic immunomodulatory agent, improves neuronal functions by preserving microvascular integrity, thus allowing the recovery of memory capacities. This demonstrates that stimulation of non-classical monocytes could be a therapeutic avenue to explore for the treatment of cerebral microangiopathies. In this direction, the third study in this thesis aims to investigate the role of non-classical monocytes in the modulation of CAA associated with AD in APP/PS1 mice. Indeed, in this study our results show that stimulation of non-classical monocytes using ARA290 that is a non-erythropoietic analogue during the early stages of Aβ pathology in AD, reduces CAA as well as Aβ deposition in the brain parenchyma of APP/PS1 mice. This was accompanied by an improved cognitive capacity of APP/PS1 mice associated with an increased frequency of non-classical monocytes in the blood circulation. Using intravital imaging, we demonstrated that non-classical monocytes are involved in the clearance of vascular Aβ microaggregates. Specific depletion of non-classical monocytes using chimeric mice attenuated the beneficial effects of ARA290. Together, these results allow us to provide new insights into the role of immune-vascular interactions after cerebral microangiopathies in the pathobiology and treatment of dementia.

La maladie d’Alzheimer est la forme de démence la plus répandue dans le monde. Il existe de nombreux facteurs de risque dont le principal est l’âge mais également le diabète et l’obésité. Les principales affections neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer sont l’atrophie cérébrale, les plaques amyloïdes et les dégénérescences neurofibrillaires formées de la protéine tau hyper- et anormalement phosphorylée. Cette altération dans la phosphorylation de tau peut s’expliquer par un déséquilibre entre les kinases et les phosphatases. Une altération du métabolisme du glucose et une résistance à l’insuline sont aussi observées chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer. De plus, une atrophie cérébrale et des dégénérescences neurofibrillaires ont été observées chez des patients souffrant d’obésité et de diabète. Il semble donc qu’il y ait un lien étroit entre la pathologie tau, l’obésité et le diabète. Différentes études ont cherché à déterminer l’impact d’un régime riche en gras sur la pathologie tau mais les résultats sont controversés. Etant donné que l’obésité est un facteur de risque pour la maladie d’Alzheimer, mon hypothèse est qu’un régime riche en gras peut induire une hyperphosphorylation de tau. Cependant nous aimerions voir si l’obésité peut être un facteur de risque sans être accompagnée d’une résistance à l’insuline. En effet, jusqu’à présent, les études montrent principalement le rôle de la résistance à l’insuline comme facteur de risque pour la maladie d’Alzheimer. Mon objectif est donc d’étudier l’impact d’un régime riche en gras sur la protéine tau, dans un modèle de souris sauvages et de souris hTau (un modèle qui exprime la protéine tau humaine sans mutations) et de déterminer les mécanismes impliqués. Après un régime riche en gras, nous n’avons pas observé de modifications significatives de la phosphorylation de tau chez les souris hTau, seulement une augmentation significative chez les mâles sauvages et une diminution significative chez les femelles sauvages. Ces résultats nous poussent à penser que les souris hTau pourraient être résistantes à l’impact d’un régime riche en gras, contrairement aux souris sauvages. / Alzheimer's disease is the most common form of dementia in the world. There are many risk factors, the most important of which are age, but also diabetes and obesity. The main neuropathological disorders of Alzheimer's disease are cerebral atrophy, amyloid plaques and neurofibrillary tangles formed by hyper- and abnormally phosphorylated tau protein. This alteration in the phosphorylation of tau can be explained by an imbalance between the kinases, and the phosphatases. Impaired glucose metabolism and insulin resistance is also observed in brain of patients with Alzheimer’s disease. On the other hand, brain atrophy and neurofibrillary tangles have been observed in patients suffering from obesity and diabetes. It therefore seems that there is a close link between tau pathology, obesity and diabetes. Different studies have sought to determine the impact of a high-fat diet on tau pathology but the results are controversial. Since obesity is a risk factor for Alzheimer's disease, my hypothesis is that a high-fat diet can induce hyperphosphorylation of tau without being accompanied by insulin resistance. However, we would like to see if obesity can be a risk factor without insulin resistance. Indeed, so far, studies have mainly shown the role of insulin resistance as a risk factor for Alzheimer's disease. My goal is to study the impact of a high-fat diet on tau protein, in a model of wild-type mice and hTau mice (a model that expresses human tau protein without mutations) and to determine the mechanisms involved. Following a high-fat diet, we did not observe any significant changes in tau phosphorylation in hTau mice, only a significant increase in wild-type males and a significant decrease in wild-type females. These results lead us to believe that hTau mice appear to be resistant to the impact of a high-fat diet, unlike wild-type mice.

La maladie d’Alzheimer est la forme de démence qui affecte le plus de gens mondialement. Les mécanismes associés à cette maladie neurodégénérative ne sont pas complètement connus et considérant le phénomène de vieillissement de la population, il devient impératif de développer de nouveaux outils de diagnostic et de nouvelles thérapies pour cette pathologie. Il y a de plus en plus de preuves qui associent les déficits cognitifs de l’Alzheimer à un dysfonctionnement de l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition de l’hippocampe, mais aussi à un niveau soutenu de neuroinflammation par l’activation exagérée de la microglie. Malgré les nombreuses études sur l’interaction fonctionnelle entre les neurones principaux et la microglie, aucune étude ne s’est concentrée sur l’interaction de la microglie avec les interneurones GABAergiques de l’hippocampe. En utilisant l’immunofluorescence et la microscopie confocale, nous avons étudié l’interaction structurelle de la microglie avec deux sous-types d’interneurones inhibiteurs impliqués dans les processus de la mémoire : les cellules exprimant la somatostatine (SOM+) et celles exprimant la parvalbumine (PV+). Nos résultats ont montré que la quasi-totalité de ces interneurones interagissaient avec la microglie en conditions contrôles et que ce niveau d’interaction était maintenu chez des souris présentant les symptômes de la maladie d’Alzheimer (APP/PS1). Nous avons aussi montré que la microglie interagissait avec tous les domaines structurels des interneurones. Le soma des interneurones était contacté différemment chez les cellules SOM+ et celles PV+ suggérant un contrôle différent selon le type de neurones contacté. La microglie interagissait préférentiellement avec le domaine proximal des dendrites suggérant un rôle de ces contacts dans l’intégration synaptique. Nos résultats n’ont montré aucun changement structurel majeur chez les souris imitant la maladie d’Alzheimer indiquant que les dysfonctionnements observés pendant la maladie seraient causés par des modifications fonctionnelles de ces contacts ou que ces contacts ne sont pas impliqués dans la pathologie. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia. The mechanisms associated to this neurodegenerative disease are not completely understood and with the aging population it is now imperative to develop new diagnosis tools and therapies for this pathology. There is growing evidence associating AD cognitive deficits to a dysregulation of the excitation/inhibition balance in the hippocampus, but also to a sustained level of neuroinflammation caused by exaggerated microglia activation. While numerous studies have assessed the functional interaction between principal neurons and microglia, much less is known about the specific interaction between microglia and hippocampal GABAergic interneurons. Using immunofluorescence and confocal microscopy, we studied the structural interaction between microglia and two subtypes of inhibitory interneurons involved in memory processes: somatostatin- (SOM+) and parvalbumin-expressing interneurons (PV+). Our results showed that almost all of these interneurons were interacting with microglia in control conditions and that this high level of interaction was maintained in mice presenting AD symptoms (APP/PS1 mice). We also reported that microglia interacted with every neuronal structural domain. Interneurons somata were contacted differently in each subtype suggesting a different control depending on the type of interneuron contacted. Microglia was preferentially interacting with proximal dendrites suggesting a role of these contacts in synaptic integration. Our results showed no major structural changes in AD mice indicating that the observed functional impairments during AD may be caused by functional modifications in these contacts or that these interactions are not involved in the pathogenesis of AD.