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

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n’étant spécifique d’aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d’être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d’applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d’étudier et d’affiner les propriétés d’encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d’intérêt biologique. D’une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l’IRM xénon hyperpolarisé. D’autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d’imagerie médicale. / Today, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful clinically used imaging method which provides three-dimensional images with excellent resolution. However, conventional molecular MRI techniques that rely on the observation of water protons still suffer from reduced sensitivity and often lack selectivity. The use of hyperpolarized xenon can improve both the selectivity and sensitivity of the MRI method. As xenon has no specificity for any biological receptor, it needs to be vectorized. For this purpose, authors have proposed to encapsulate xenon inside molecular cages functionalized to recognize specific biological targets. The best candidates so far as biosensors are cryptophanes.The aim of this work is to design and synthesize new cryptophanes that are better suited for 129Xe MRI applications and relevant biosensors for future in vivo applications. In a first part, new cages were developed in order to study the encapsulation properties of xenon inside different cryptophanes. Then, biosensors were synthesized by functionnalization of known water-soluble cryptophanes for different applications of biological interest. We have therefore assessed the possibility of detecting metal ions specifically in a very sensitive way thanks to 129Xe MRI. New bimodal sensors were also designed and tested.

Objectifs : Les thérapies régénératives cardiaques ont connu un essor considérable au cours des 10 dernières années. Malgré des effets positifs démontrés chez l’animal, les bénéfices cliniques obtenus chez l’homme sont encore relativement modestes. L’objectif de ce travail a été de mieux comprendre les facteurs liés à l’implantation des cellules souches grâce aux techniques de détection cellulaire en imagerie par résonance magnétique (IRM), afin d’optimiser la thérapie cellulaire cardiaque.Matériel et méthodes : Un protocole de détection cellulaire en IRM cardiaque in vivo ainsi qu’une méthode de détection des microvaisseaux en IRM cardiaque ex vivo haute résolution avec des séquences Susceptibility Weighted Imaging (SWI) ont été développés, puis mis en application pour l’étude de la vectorisation de progéniteurs des cellules endothéliales marqués magnétiquement par des nanoparticules d’oxyde de Fer et injectés par voie intraveineuse, ainsi que pour l’évaluation de l’intégration et de l’efficacité de cellules souches mésenchymateuses administrées via des patchs de fibrine cellularisés chez des rats adultes indemnes de toute pathologie (un groupe contrôle vs un groupe infarctus via ligature définitive de l’artère interventriculaire antérieure).Résultats : Après injection intraveineuse et malgré la vectorisation magnétique (n=16 rats), l’imagerie de détection cellulaire a montré qu’aucune cellule n’était implantée dans le myocarde et que les paramètres fonctionnels cardiaques n’étaient pas améliorés. Avec les patchs cellularisés (n=37 rats), la fraction d’éjection ventriculaire gauche (FEVG) était améliorée dans les groupes de patchs cellularisés par rapport aux groupes contrôles. La densité microvasculaire était augmentée dans la zone infarcie et peri-infarcie dans les groupes cellularisés par rapport aux groupes contrôles, à la fois en immunohistochimie et en IRM sur les séquences SWI. L’IRM a montré l’absence de migration des cellules dans le myocarde à partir du patch, confirmé en immunohistochimie. La persistance de cellules dans la zone d’implantation du patch à la surface épicardique à J21 post greffe et l’étude en cytométrie en flux des cytokines et facteurs de croissance produits par les cellules souches plaident pour une efficacité de la thérapie cellulaire en rapport avec la sécrétion de facteurs paracrines par les cellules souches.Conclusion : L’imagerie de susceptibilité magnétique permet d’une part d’étudier les vaisseaux myocardiques sur des séquences pondérées en SWI ex vivo et d’autre part d’évaluer l’implantation des cellules souches sur des séquences en écho de gradient T2* in vivo. Ces techniques ont permis de mieux caractériser le mode d’action des patchs cardiaques en tant que réservoir de facteurs paracrines pour le traitement de l’insuffisance cardiaque dans un modèle murin. Ces résultats confirment l’intérêt fort à développer et optimiser l’utilisation de biomatériaux intelligents délivrant spécifiquement des molécules d’intérêt comme les cytokines ou les facteurs de croissance et permettant ainsi de contourner les contraintes immunogènes et tératogènes liés aux cellules souches. / Objectives: Cardiac regenerative therapies have grown considerably over the past 10 years. Despite positive effects demonstrated in animals, the clinical benefits obtained in humans are still relatively modest. The objective of this work was to better understand the factors associated with implantation of stem cells through the cell detection techniques in magnetic resonance imaging (MRI) and to improve cardiac stem cell therapy in a murine model of myocardial infarction.Materials and methods: A protocol for cell detection with gradient echo T2* sequences in cardiac MRI in vivo and a method for detection of microvessels in cardiac MRI ex vivo with high resolution Susceptibility Weighted Imaging sequences (SWI) were developed and implemented for the study of vectorization of intravenously injected endothelial progenitors cells (EPC) and the integration and evaluation of the impact of mesenchymal stem cells (MSC) administered via cellularized fibrin patches. A permanent ligation of the left anterior coronary artery was performed in adult rats. The stem cells were magnetically labeled with iron oxide nanoparticles by endocytosis.Results: Cell detection imaging showed no cell implantation in the myocardium and no improvement in cardiac functional parameters after intravenous injection of EPC, despite the aid of magnetic vectorization (n = 16 rats). With a local administration of MSC via cardiac patches (n = 37 rats), the left ventricular ejection fraction (LVEF) was improved in cellularized patches groups compared to controls. Microvascular density was increased in the infarcted and peri – infarcted areas in cellularized patches groups compared to controls in immunohistochemistry and in MRI on SWI sequences. The MRI showed no migration of cells into the myocardium from the patch, as confirmed by immunohistochemistry and Perls staining. The persistence of MSCs on the epicardial surface at D21 after implantation and flow cytometry profiling of cytokines and growth factors produced by MSC argue for cell therapy effectiveness related to the secretion of paracrine factors by stem cells.Conclusion: Susceptibility imaging allows: (1) to study myocardial vessels on SWI sequences ex vivo and (2) to assess the implementation of stem cells on gradient echo sequences T2 * in vivo. These techniques have shown that cardiac patches act as a reservoir of soluble mediators which paracrinally target the angiogenesis in the treatment of heart failure in a murine model. This is in favor of a move towards “cell free” biomaterials containing only molecules of interest such as cytokines or growth factors to circumvent immunogenic and teratogenic constraints related to the use of stem cells.

La transglutaminase tissulaire est une enzyme dépendante du calcium qui catalyse la formation de liens isopeptidiques, entre les chaînes latérales de résidus glutamine et lysine, permettant, par le fait même, la réticulation des protéines dans les systèmes biologiques. Elle joue un rôle, entre autres, dans l’endocytose, la régulation du développement des cellules, et même dans l’apoptose. Néanmoins, une dérégulation de l’activité biologique de cette enzyme peut entrainer différentes pathologies, comme la formation de cataractes, de plaques amyloïdes dans la maladie d’Alzheimer, ou encore peut mener au développement de la maladie céliaque. C’est pourquoi une meilleure connaissance du mécanisme d’action de cette enzyme et la possibilité de réguler son action à l’aide de substrats ou d’inhibiteurs sont nécessaires. Dans cette optique, une méthode d’expression et de purification de la transglutaminase humaine a été développée, permettant de travailler directement avec la cible pharmacologique désirée. De plus, une étude du mode d’inhibition et de liaison d’une classe d’inhibiteurs réversibles précédemment découverte dans le groupe, soit la famille des trans-cinnamoyles, a permis d’identifier que la puissance de ces molécules est influencée par la présence du calcium et qu’une inhibition dépendante du temps est observée, en lien avec un potentiel équilibre conformationnel lent de la transglutaminase. D’un autre côté, la susceptibilité à une attaque nucléophile par des thiols de cette classe de molécule rend leur potentiel pharmacologique grandement diminué, et c’est pourquoi une nouvelle famille de molécules a été identifiée, basée sur un squelette ynone, avec une valeur d’IC50 très prometteuse de 2,6 μM, en faisant un des meilleurs inhibiteurs réversibles de la transglutaminase développés à ce jour. Finalement, une stratégie de photomarquage jumelée à une analyse de spectrométrie de masse en tandem a été développée pour la découverte du site de liaison du substrat dérivé de la lysine, dans le but de mieux comprendre le mécanisme complexe de cette enzyme. / Tissue transglutaminase is a calcium-dependent enzyme that catalyzes the formation of isopeptide bonds between the side chains of glutamine and lysine residues, thereby resulting in the crosslinking of proteins in biological systems. It plays a role, among others, in endocytosis, the regulation of cell growth, and even in apoptosis. However, a deregulation of the biological activity of this enzyme can result in various pathologies, such as cataract formation, amyloid plaque formation in Alzheimer’s disease, or the development of celiac disease. Therefore, a better understanding of the mechanism of action of this enzyme and the ability to regulate its action using inhibitors or substrates is necessary. In this context, a method of expression and purification of human transglutaminase has been developed, allowing one to work directly with the desired pharmacological target. In addition, a study of the mode of inhibition and binding mode of a reversible inhibitor class previously discovered in the group, the family of trans-cinnamoyl derivatives, revealed that the potency of these molecules is influenced by the presence of calcium and a time-dependent inhibition is observed, related to a putative slow conformational equilibrium of transglutaminase. On the other hand, the susceptibility of this class of molecules to nucleophilic attack by thiols greatly diminishes their pharmacological potential, and that is why a new family of molecules has been identified, based on a ynone skeleton, with a very promising IC50 value of 2.6 μM, making this molecule one of the best transglutaminase reversible inhibitors developed to date. Finally, a photolabelling strategy combined with a tandem mass spectrometry analysis has been developed for the discovery of the binding site of the lysine derivative substrate, in order to better understand the complex mechanism of this enzyme.

L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

La F1-ATPase des mitochondries de coeur de boeuf est inactivée par les dérivés 2',3'-dialdéhydiques de l'ATP, ADP et AMP (dialATP, dialADP, dialAMP). L'analyse de la cinétique d'inactivation enzymatique montre qu'en l'absence de Mg2+, l'inactivation résulte de la fixation d'une mole d'analogue de nucléotide par unité active de F1-ATPase. L'analogue le plus efficace est le dialADP, suivi par le dialAMP et le dialATP. L'utilisation de nucléotides radioactif montre que l'inactivation complète nécessite la fixation d'environ 11 moles de dialADP par mole de F1. Après correction pour le marquage non-sélectif, le le nombre de dialADP fixés spécifiquement est de 3 par F1. Par électrophorèse sur gel de polyacrylamide en présence de dodécylsulfate de sodium (SDS), le dialADP se fixe de manière covalente principalement sur les sous-unités alpha et beta.

Lors de la dégradation du peroxyde d'hydrogène en eau et dioxygène catalysée par les hémoenzymes à fer de type catalase et peroxydase, il se forme à l'échelle de la milliseconde un intermédiaire réactionnel radicalaire porté par la porphyrine. Dans le cas de l'enzyme modèle utilisée, la catalase de foie de bœuf, il a été montré par des études de spectroscopie RPE que ce radical est ensuite délocalisé sur un résidu tyrosyle de la chaîne polypeptidique. A ce jour, on ne connaît pas l'exacte localisation du résidu impliqué, donc le rôle de ce site d'oxydation alternatif. <br />Par ailleurs, il a été montré au laboratoire que l'identification et la quantification des radicaux formés sur les acides aminés d'une protéine par l'attaque de radicaux hydroxyle sont possibles. Cette méthode est basée sur le marquage au tritium des résidus acides aminés. Notre approche est basée sur la génération de radicaux hydroxyle par radiolyse de l'eau. Les radicaux hydroxyle formés arrachent un hydrogène sur la chaîne latérale des acides aminés et génèrent ainsi un radical carboné. Il est ensuite “réparé” in situ par un composé, le sel sodique de l'acide phénylphosphinique tritié, qui permet d'introduire un atome de tritium à la place de l'hydrogène précédemment arraché. Cet atome de tritium sert de marqueur pour détecter les sites de formation des radicaux. <br />Nous avons donc utilisé les propriétés de réparation du vecteur tritié pour identifier quelle est la tyrosine impliquée dans les transferts d'électrons de la BLC. Même s'il a été montré par RPE que la disparition du radical porté par la tyrosine est effective en présence de l'agent de réparation, les études de marquage n'ont pas abouti à déterminer l'exacte localisation du radical. Une des raisons invoquées est le manque d'efficacité de l'agent de réparation pour transférer son atome d'hydrogène. C'est pourquoi d'autres composés capables eux aussi de fournir un atome d'hydrogène par voie radicalaire ont été synthétisés puis testés sur ce système enzymatique par une étude de spectroscopie RPE.<br />En parallèle, nous avons voulu comprendre les mécanismes d'action des ces mêmes composés sur un système modèle en générant des radicaux sur la tyrosine en solution par radiolyse de l'eau. La méthode consiste à produire dans une solution aqueuse de tyrosine des radicaux hydroxyle, qui vont former les radicaux tyrosyle. Les radicaux ainsi générés peuvent être ensuite réparés par un atome de deutérium fourni par un donneur. L'incorporation en deutérium et la régiosélectivité de l'attaque sont ensuite analysées par spectrométrie de masse et RMN 2H. L'irradiation de solution de tyrosine en présence des différents composés choisis s'est révélée difficile à analyser, en raison notamment de la difficulté à déterminer la proportion de radicaux hydroxyle réagissant avec l'agent réparateur au lieu de la tyrosine, mais surtout en raison de l'incorporation inattendue de deutérium dans la tyrosine en l'absence de tout agent de transfert. Ce phénomène jusqu'alors inconnu a, dès lors, retenu toute notre attention. Nous avons alors focalisé nos travaux sur la compréhension des processus intervenant dans l'autoréparation de la tyrosine et ainsi proposé un mécanisme pour expliquer nos observations.

Le cancer tue en France 150.000 personnes chaque année, chiffre qui justifie pleinement de faire de la lutte contre cette maladie un axe de recherche majeur. Lutter contre le cancer passe tout d'abord par un dépistage précoce. Dans ce contexte, nous avons tenté de mettre au point un système innovant de diagnostic qui consiste à cibler une tumeur par des lymphocytes marqués magnétiquement et utilisés comme agents de contraste en IRM.<br />L'objectif de notre étude est de marquer le plus efficacement possible des lymphocytes périphériques, grâce à des nanoparticules d'oxydes de fer superparamagnétiques (USPIOs), sans compromettre la viabilité cellulaire, afin de suivre l'infiltration tumorale en IRM. L'efficacité de marquage a été évaluée en déterminant le pourcentage de cellules marquées et la quantité de fer intracellulaire. L'efficacité du marquage sur les images d'IRM a également été évaluée grâce à une nouvelle méthodologie basée sur la quantification des hyposignaux à partir des cartographies 3D T2*.<br />La mise en place de ce système original de diagnostic précoce des tumeurs requiert plusieurs étapes : <br />(1) Choisir parmi les différentes particules synthétisées au laboratoire celle qui marque le plus efficacement les cellules en utilisant une lignée BLCL (B Lymphoblastoïd Cell Line) comme modèle.<br />(2) Marquer les lymphocytes périphériques murins, après les avoir activés de manière non spécifique (Concanavaline A / Il-2), en vue d'une injection autologue par voie intraveineuse chez le rat Sprague Dawley femelle portant une tumeur.<br />(3) Suivre en IRM l'infiltration tumorale des lymphocytes activés et marqués.

Les travaux réalisés pendant cette thèse ont porté sur deux thématiques indépendantes.Les deux premières parties concernent la thématique " alcaloïdes de Vinca ", molécules d'origine naturelle aux propriétés anticancéreuses. Les travaux ont tout d'abord porté sur la synthèse d'analogues oxygénés de la 20,20-difluorocatharanthine, comme précurseurs d'alcaloïdes dimères originaux de Vinca. Bien que les voies de synthèses explorées n'aient pas conduit aux dérivés oxygénés souhaités, les différents résultats obtenus ont cependant permis de montrer que la présence du groupement gem-difluoré sur le squelette de la catharanthine changeait dramatiquement la réactivité du substrat de manière imprévisible. La deuxième partie de ce travail a été dédiée à l'élucidation du mécanisme de fluoration d'alcaloïdes dimères de Vinca en milieu superacide. Le marquage isotopique au deutérium a permis de discriminer deux hypothèses mécanistiques et de valider le mécanisme de fluoration passant par une migration 1,2 d'hydrure dont la contribution minimale est de 20 %. Enfin, la troisième partie de ce travail a été consacrée à la synthèse asymétrique de la (R)-méquitazine. La synthèse de cette dernière s'est basée sur la chiralité déjà " imprimée " dans le squelette d'alcaloïdes de cinchona. La synthèse de la (R)-méquitazine dont les excès énantiomériques finaux sont supérieurs à 99% a été conclue en 8 étapes à partir de la quinine, confirmant le contrôle total du centre asymétrique tout au long de la synthèse.

L'oxaliplatine est un médicament de référence dans les traitements des cancers colorectaux métastatiques. Toutefois, l'oxaliplatine occasionne une toxicité d'ordre neurologique qui retentit sur la qualité de vie de certains patients prédisposés. Nous avons analysé pour la première fois la neurotoxicité de l'oxaliplatine par une approche protéomique. Un protocole expérimental, associant marquage iTRAQ et fractionnement par IEFOFFGEL a tout d'abord été mis en place afin d'améliorer la couverture protéomique d'échantillons complexes. Puis, l'expression protéique différentielle après traitement par I'oxaliplatine a été analysée globalement, à la fois dans le protéome intracellulaire et dans le sécrétome d'un modèle cellulaire humain de nerotoxicité. L'analyse du protéome intracellulaire a permis l'identification de plus de 2700 protéines et offre de nouvelles perspectives quant aux mécanismes moléculaires de la neurotoxicité de I ' o x aliplatine. Le médicament aItère l'expression de protéines impliquées dans la réponse aux dommages à l'ADN, le contrôle du cycle cellulaire, le stress oxydatif , le métabolisme énergétique, le stress protéotoxique, la résistance multidrogue, la plasticité neuronale et l'homéostasie calcique. L'analyse du sécrétome a mis en évidence la sur-expression, suite au traitement par l'oxaliplatine, de 23 protéines sécrétées. Nous proposons pour la première fois les protéines Calmoduline, Thymosine beta-10 et le facteur neurotrophique Neudésine comme candidats biomarqueurs de la neurotoxicité des traitements anticancéreux à base d'oxaliplatine.