Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Obesity increases cardiovascular disease risk and is associated with factors of the “metabolic syndrome” (MetS), a disorder including hypertension, hypercholesterolemia and/or impaired glucose tolerance. Expanding adipose and subsequent inflammation is implicated in vascular dysfunction in MetS. Perivascular adipose tissue (PVAT) surrounds virtually every artery and is capable of releasing factors that influence vascular reactivity, but the effects of PVAT in the coronary circulation are unknown. Accordingly, the goal of this investigation was to delineate mechanisms by which lean vs. MetS coronary PVAT influences vasomotor tone and the coronary PVAT proteome. We tested the hypothesis that MetS alters the functional expression and vascular contractile effects of coronary PVAT in an Ossabaw swine model of the MetS. Utilizing isometric tension measurements of coronary arteries in the absence and presence of PVAT, we revealed the vascular effects of PVAT vary according to anatomical location as coronary and mesenteric, but not subcutaneous adipose tissue augmented coronary artery contractions to KCl. Factors released from coronary PVAT increase baseline tension and potentiate constriction of isolated coronary arteries relative to the amount of adipose tissue present. The effects of coronary PVAT are elevated in the setting of MetS and occur independent of endothelial function. MetS is also associated with substantial alterations in the coronary PVAT proteome and underlying increases in vascular smooth muscle Ca2+ handling via CaV1.2 channels, H2O2-sensitive K+ channels and/or upstream mediators of these ion channels. Rho-kinase signaling participates in the increase in coronary artery contractions to PVAT in lean, but not MetS swine. These data provide novel evidence that the vascular effects of PVAT vary according to anatomic location and are influenced by the MetS phenotype.

Le tractus digestif et le foie interagissent continuellement, non seulement à travers les connexions anatomiques, mais également par des liens physiologiques/fonctionnels. Le déséquilibre de l’axe intestin-foie apparait de plus en plus comme un facteur primordial dans les désordres cardiométaboliques, à savoir l’obésité, le syndrome métabolique, le diabète de type 2 et la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD), pour lesquels la prévalence demeure alarmante, les mécanismes moléculaires encore méconnus, et les traitements peu efficaces. L’hypothèse centrale du présent projet de recherche est que la combinaison d’anomalies génétiques et nutritionnelles affecte la sensibilité de l’insuline intestinale, ce qui conduit à une surproduction des chylomicrons, à une dyslipidémie, une insulinorésistance systémique et des répercussions sur le foie. Dans cet agencement, le foie développe une NAFLD progressive, impliquant plusieurs sentiers métaboliques intrinsèques et des mécanismes comprenant le stress oxydatif, l’inflammation et l’insulinorésistance. En revanche, des nutriments, comme les acides gras polyinsaturés (AGPI) n-3, peuvent présenter des effets bénéfiques en ciblant plusieurs circuits pathogéniques. L’objectif central de cette thèse consiste à : (i) Démontrer que des gènes codant pour les protéines intestinales clés associées au transport des lipides, comme c’est le cas du Sar1b GTPase, peuvent interagir avec l’environnement nutritionnel pour produire l’obésité et des dérangements cardiométaboliques, incluant la NAFLD ; (ii) Explorer les mécanismes hépatiques sous-jacents à la NAFLD; et (iii) Identifier les effets et les cibles thérapeutiques des AGPI n-3 sur la NAFLD. Ces objectifs seront soutenus par une prospection de la littérature scientifique disponible dans les champs du syndrome métabolique et de la NAFLD afin d’en disséquer les forces et les faiblesses au bénéfice de la communauté scientifique. À ces fins, nous avons utilisé des modèles animaux et cellulaires manipulés génétiquement, des animaux exposés de façon chronique à des diètes riches en lipides, des spécimens de tissus hépatiques obtenus durant la chirurgie bariatrique d’obèses morbides, et une cohorte d’adolescents obèses souffrant de NAFLD et qui seront traités avec les AGPI n-3. L’ensemble de nos expériences ont soutenu nos hypothèses et ont mis en évidence les concepts et mécanismes suivants : (i) L’abondance d’un gène crucial (notamment Sar1b GTPase) au niveau de l’intestin, en synergie avec une alimentation obésogène, perturbe l’homéostasie locale et mène à des dérangements cardiométaboliques, défiant même l’axe intestin-foie ; (ii) Les causes développementales de la NAFLD comprennent les dérangements du métabolisme des acides gras, du statut redox et inflammatoire, de la sensibilité à l’insuline, des sentiers métaboliques (lipogenèse, β-oxydation, gluconéogenèse) et de l’expression des facteurs de transcription; et (iii) Les AGPI n-3 représentent un robuste arsenal thérapeutique des dérangements cardiométaboliques, notamment la NAFLD, en agissant sur plusieurs cibles pathogéniques. Globalement, nos résultats montrent le rôle indéniable de l’intestin comme organe insulino-sensible interagissant de près avec les aliments et capable de déclencher des troubles métaboliques. Plusieurs mécanismes gouvernant les désordres métaboliques ont été dévoilés par nos travaux. En outre, nos études cliniques ont pointé la force thérapeutique des AGPI n-3 qui interviennent dans de nombreux processus de régulation métaboliques et notamment dans le stress oxydatif et l’inflammation. / The digestive tract and liver interact continuously, not only through anatomical connections, but also through physiological / functional links. The imbalance of the intestine-liver axis is increasingly emerging as a key factor in cardiometabolic disorders (CMD), namely obesity, metabolic syndrome, type 2 diabetes, and non alcoholic fatty liver disease (NAFLD), for which prevalence remains alarmingly high, molecular mechanisms are poorly understood, and treatments are largely inefficient. The central hypothesis of this research project is that the combination of genetic and nutritional abnormalities affect intestinal insulin sensitivity, leading to overproduction of chylomicrons, dyslipidemia, systemic insulin resistance and dysregulated intestine-liver axis. In this situation, the liver develops progressive NAFLD, implicating several intrinsic metabolic pathways and mechanisms, including oxidative stress, inflammation and insulin resistance. In contrast, functional foods, such as omega-3 polyunsaturated fatty acids (n-3 PUFA), may have beneficial effects by targeting several pathogenic pathways. The central objective of this thesis is to: (i) Demonstrate that genes coding for key intestinal proteins associated with lipid transport, as is the case with Sar1b GTPase, can interact with the nutritional environment to produce obesity and CMD, including hepatic steatosis; (ii) explore the mechanisms underlying NAFLD; and (iii) identify the effects and therapeutic targets of n-3 PUFA. These objectives will be supported by a critical review on metabolic syndrome and NAFLD in order to dissect their strengths and weaknesses for the benefit of the scientific community. For these purposes, we used genetically engineered animal and cell models, chronic exposure of animals to high-fat diets, liver tissue specimens obtained during bariatric surgery of morbidly obese patients, and treatment of obese NAFLD adolescents with n-3 PUFA. All of our experiments supported our hypotheses and highlighted the following concepts and mechanisms: (i) The abundance of a crucial gene (notably Sar1b GTPase) in the intestine, in synergy with an obesogenic diet, disrupts local homeostasis and leads to CMD, challenging even the intestine-liver axis; (ii) Developmental causes of NAFLD include disturbances of fatty acid metabolism, redox and inflammatory status, insulin sensitivity, metabolic pathways (lipogenesis, β-oxidation, gluconeogenesis), and expression of transcription factors; and (iii) n-3 PUFA represent a robust therapeutic arsenal of CMD, including NAFLD, by acting on several pathogenic targets. Overall, our results show the undeniable role of the intestine, as an insulin-sensitive organ, interacting closely with obesogenic food, and capable of triggering CMD, including perturbations of the intestine-liver axis. Several mechanisms governing metabolic disorders have been unveiled by our work. In addition, our clinical studies have pointed to the therapeutic potential of n-3 PUFA involved in many regulatory processes, including oxidative stress and inflammation.

En raison des avancées thérapeutiques, plus de 90% des enfants atteints de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) survivent à la maladie. Cependant, plusieurs survivants sont à risque de développer des morbidités à long terme, causées par le cancer et ses traitements, surtout que ces derniers sont administrés pendant une période cruciale du développement. Les effets néfastes à long terme comprennent notamment des désordres cardiométaboliques tels que l’obésité, la dyslipidémie et le diabète de type 2. Bien que leur étiologie précise ne soit pas entièrement comprise, certains mécanismes sous-jacents au développement des complications à long terme ont été proposés. Étonnamment, peu d’études ont évalué la relation entre l’alimentation et les complications cardiométaboliques chez les survivants du cancer pédiatrique. Dans la population générale, de mauvaises habitudes alimentaires ont été associées à l’incidence des composantes du syndrome métabolique et de l’athérosclérose. Également, il a été démontré que le microbiote intestinal joue un rôle prépondérant dans la pathogenèse et la progression des perturbations cardiométaboliques dans la population générale. Ce rôle a été peu étudié dans la population survivante de cancer, alors que les traitements pourraient mener à des modifications importantes de la composition, de la diversité et de la fonction du microbiote intestinal. Nos travaux ont visé l’étude de l’état de santé cardiométabolique et nutritionnelle de survivants de la LLA de l’enfant et la détermination des associations entre les deux. De plus, nous avons exploré les mécanismes impliquant le microbiote intestinal dans le développement des complications cardiométaboliques. L’ensemble des travaux a été réalisé dans le cadre de l’étude PETALE (Prévenir les effets tardifs des traitements de la leucémie lymphoblastique aiguë) au Centre hospitalier universitaire Sainte-Justine à Montréal. Nos résultats ont mis en évidence la forte prévalence des complications cardiométaboliques chez les adolescents et les jeunes adultes survivants de la LLA pédiatrique. Ils ont aussi confirmé leur risque cardiovasculaire accru par rapport à la population générale canadienne, plus particulièrement ceux ayant été exposés à la radiothérapie crânienne. En outre, des altérations des profils des lipoprotéines et apolipoprotéines, indicateurs d’une augmentation du risque d’athérosclérose, ont été identifiées. Nous avons observé que les survivants respectent peu les recommandations alimentaires et leurs mauvaises habitudes alimentaires affectent leur état nutritionnel et métabolique. Nos résultats confirment l’association d’un régime alimentaire de qualité et une meilleure santé cardiométabolique des survivants. Nous avons identifié une association inverse entre un apport élevé de macro- et micronutriments spécifiques (protéines, sélénium, zinc, cuivre, riboflavine et niacine) ainsi que de viande et le risque de présenter des taux de HDL-C faibles chez les survivants tandis que la restauration rapide était associée positivement avec ce risque. Il est à noter que malgré un faible apport en vitamine D, la prévalence de l’insuffisance ou de la carence en vitamine D n’est pas plus importante chez les survivants que dans la population générale canadienne. Nous avons identifié des associations entre des biomarqueurs plasmatiques de l’inflammation viscérale et de l’endotoxémie et les complications cardiométaboliques chez les survivants de la LLA pédiatrique. Nous avons également mis en évidence la relation entre l’endotoxémie métabolique, l’inflammation et la présence de complications cardiométaboliques. Une revue de littérature a permis de détailler le rôles émergent de la dysbiose intestinale dans les complications métaboliques chez les survivants. Dans nos travaux exploratoires, nous avons constaté que, dans une grande proportion des survivants métaboliquement non sains, il y avait une abondance réduite de familles de bactéries ayant des rôles protecteurs envers l’endotoxémie métabolique. Nous avons aussi démontré la faisabilité d’utiliser un modèle murin xénogénique de LLA pour étudier les mécanismes du développement des complications cardiométaboliques. L’identification de biomarqueurs et de mécanismes biologiques ainsi qu’une meilleure compréhension de la manière dont le régime et les composantes alimentaires peuvent affecter les survivants de la LLA de l’enfant permettra le développement de stratégies de prévention pour minimiser les séquelles à long terme, améliorer le suivi des patients et optimiser la qualité de vie de cette population à haut risque. / As a result of therapeutic advances, more than 90% of children with acute lymphoblastic leukemia (ALL) survive the disease. However, many survivors are at risk of developing long-term morbidities caused by the cancer and its treatments, especially since these are administered during a crucial period of their development. Long-term adverse effects include cardiometabolic disorders such as obesity, dyslipidemia and type 2 diabetes. Although their precise etiology is not fully understood, some mechanisms underlying the development of long-term complications have been proposed. Surprisingly, few studies have evaluated the relationship between diet and cardiometabolic complications in childhood cancer survivors. In the general population, poor dietary habits are associated with the incidence of metabolic syndrome components and atherosclerosis. Also, the intestinal microbiota appears to play a major role in the pathogenesis and progression of cardiometabolic disturbances in the general population. This role has been poorly studied in cancer survivor populations, where treatments could lead to significant changes in intestinal microbiota composition, diversity and function. We studied the cardiometabolic and nutritional health status of childhood ALL survivors and determined the associations between the two. In addition, we explored the intestinal microbiota as an underlying mechanism of cardiometabolic complication development. This work was carried out as part of the PETALE (Preventing Late Effects of Acute Lymphoblastic Leukemia Treatments) study at the Centre hospitalier universitaire Sainte-Justine in Montreal. Our results highlighted the high prevalence of cardiometabolic complications in adolescent and young adult survivors of childhood ALL. They also confirmed their increased cardiovascular risk compared to the general Canadian population, particularly those exposed to cranial radiotherapy. In addition, alterations in lipoprotein and apolipoprotein profiles, indicative of an increased risk of atherosclerosis, were identified. We observed that survivors have poor compliance with dietary recommendations and that poor eating habits affect their nutritional and metabolic status. Our results confirm the association of diet quality and a better survivors’ cardiometabolic health. We identified an inverse association between a high intake of specific macro- and micronutrients (protein, selenium, zinc, copper, riboflavin and niacin) as well as meat and the risk of having low HDL-C levels in survivors, while fast food was positively associated with this risk. It should be noted that despite low vitamin D intake, the prevalence of vitamin D insufficiency or deficiency is no greater among survivors than in the general Canadian population. We identified associations between plasma biomarkers of visceral inflammation and endotoxemia and cardiometabolic complications in childhood ALL survivors. We also demonstrated the relationship between metabolic endotoxemia, inflammation and the presence of cardiometabolic complications. A review of the literature detailed the emerging role of intestinal dysbiosis in the metabolic sequelae found in survivors. In our exploratory work, we found that, in a large proportion of metabolically unhealthy survivors, there was a reduced abundance of bacteria families with protective role towards endotoxemia. We also demonstrated the feasibility of using a xenogenic mouse model of ALL to study the mechanisms explaining the development of cardiometabolic complications. The identification of biomarkers and biological mechanisms and a better understanding of how diet and nutritional components may affect survivors of childhood ALL will allow the development of prevention strategies to minimize long-term sequelae, improve patient follow-up and optimize the quality of life of this high-risk population.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Recent advancements in the management of systemic glucose regulation in obesity/T2DM include drug therapies designed to utilize components of the incretin system specifically related to glucagon-like peptide 1 (GLP-1). More recently, GLP-1 has been investigated for potential cardioprotective effects. Several investigations have revealed that acute/sub-acute intravenous administration of GLP-1 significantly reduces myocardial infarct size following ischemia/reperfusion injury and improves cardiac contractile function in the settings of coronary artery disease, myocardial ischemia/reperfusion injury, and heart failure. Despite an abundance of data indicating that intravenous infusion of GLP-1 is cardioprotective, information has been lacking on the cardiac effects of iv GLP-1 in the MetS or T2DM population. Some important questions this study aimed to address are 1) what are the direct, dose-dependent cardiac effects of GLP-1 in-vivo 2) are the cardiac effects influenced by cardiac demand (MVO2) and/or ischemia, 3) does GLP-1 effect myocardial blood flow, glucose uptake or total oxidative metabolism in human subjects, and 4) are the cardiac effects of GLP-1 treatment impaired in the settings of obesity/MetS and T2DM. Initial studies conducted in canines demonstrated that GLP-1 had no direct effect on coronary blood flow in-vivo or vasomotor tone in-vitro, but preferentially increased myocardial glucose uptake in ischemic myocardium independent of effects on cardiac contractile function or coronary blood flow. Parallel translational studies conducted in the humans and Ossabaw swine demonstrate that iv GLP-1 significantly increases myocardial glucose uptake at rest and in response to increases in cardiac demand (MVO2) in lean subjects, but not in the settings of obesity/MetS and T2DM. Further investigation in isolated cardiac tissue from lean and obese/MetS swine indicate that this impairment in GLP-1 responsiveness is related to attenuated activation of p38-MAPK, independent of alterations in GLP-1 receptor expression or PKA-dependent signaling. Our results indicate that the affects of GLP-1 to reduce cardiac damage and increase left ventricular performance may be impaired by obesity/MetS and T2DM.

<p>  </p> <p>Inhalation is a primary route of environmental and occupational exposures. Inhalation toxicology studies have thoroughly demonstrated the efficacy and adverse effects of a large number of chemicals, metals, pharmaceuticals, and agrochemicals. With the rapid development of new technologies and emergence of prominent subpopulations, some emerging exposure issues have arisen. To better protect public health, it is necessary to address these numerous emerging issues related to inhalation toxicology including 1) exposures to complex and unknown chemical emissions generated as we resolve infrastructure needs, 2) real-world exposure scenarios such as nanoparticle (NP) mixtures that may induce unique toxicity, and 3) variations in toxicity responses that occur in vulnerable and prevalent subpopulations following exposures. We designed three aims 1) to characterize differential representative composite manufacturing emissions (CMEs) and toxicity assessment of inhalation exposure to CMEs, 2) to examine the contribution of variable iron and manganese NP components in welding fumes to pulmonary toxicity, and 3) to evaluate metabolic syndrome (MetS)-induced variations in NP-Biocorona (NP-BC) composition following inhalation and modulation of pulmonary toxicity. Overall, this proposal aimed to characterize the emerging and complex exposures occurring in the real world and elucidate the mechanisms of differential pulmonary toxicity and susceptibility associated with CMEs, different metal NP components in welding fumes, and underlying diseases such as MetS. The conclusions from this project can help to improve the application of water infrastructure repairing technology and the utilization of welding and understand the mechanism of susceptibility to NP exposure among individuals with underlying diseases. Furthermore, the findings from these evaluations have supported and improved worldwide regulation, which promotes a safer utilization of novel materials, newly developed medicines, and complex chemicals.</p>

Les chylomicrons (CM) sont des vésicules produites et sécrétées par les entérocytes de l'intestin grêle pour permettre le transport des lipides et des vitamines liposolubles de l'alimentation vers la circulation sanguine. Les mécanismes de transport, de formation et de sécrétion des CM sont très complexes et des défauts dans ces mécanismes peuvent affecter de manière significative la qualité de vie d'un individu. Il est clair qu'il existe des lacunes dans notre compréhension des protéines qui régulent ces processus puisque certains patients atteints de malabsorptions intestinales ne présentent pas de mutations pour des protéines connues et d’autres patients présentant des mutations connues ont des caractéristiques cliniques incompréhensibles. La phospholipase D(PLD) 1 et la Sar1b GTPase sont deux protéines dont le rôle dans l'homéostasie lipidique intestinale reste à mieux préciser. La PLD1 est une enzyme dont le rôle principal est de catalyser la formation d'acide phosphatidique à partir de la phosphatidylcholine. Son produit permet de réguler de nombreux processus cellulaires tels que l’endocytose, l’exocytose et le traffic vésiculaire. Cependant, sa fonction dans l'homéostasie lipidique intestinale était jusqu'à présent inconnue. La Sar1b GTPase, quant à elle, régule la formation des vésicules COPII du réticulum endoplasmique (RE) et sa mutation a été associée à la maladie de rétention du CM (MRC), l'une des trois principales maladies qui provoquent une malabsorption des lipides intestinaux. Cependant, nos connaissances scientifiques sur cette enzyme sont assez limitées et même sa relation de cause à effet reste à définir dans un organisme complexe tel qu'un mammifère. Par conséquent, l'objectif général de cette thèse est de mettre en évidence le rôle de la PLD1 et de la Sar1b GTPase dans le transport et le métabolisme des lipides intestinaux. Pour atteindre ces objectifs, nous avons soit administré des inhibiteurs de l'activité des différents isoformes de PLD à des cellules entérocytaires Caco2/15, ou utilisé des cellules présentant une diminution de l’expression du gène de PLD1. En outre, pour la Sar1b GTPase, nous avons utilisé des souris présentant soit une mutation ponctuelle, soit une délétion de Sar1b. Nos résultats ont montré que la diminution de l'expression protéique de PLD1 réduit la sécrétion de CM et modifie l'expression protéique de facteurs importants impliqués dans la β-oxydation et la lipogenèse. En ce qui concerne la Sar1b GTPase, nous avons pu observer que les souris homozygotes avec une mutation ou une délétion de Sar1b ne sont pas viables et sembleraient mourir juste après la naissance étant donné le développement embryonnaire normal de ces souris. Avec les souris hétérozygotes, nous avons quand même pu confirmer la relation de cause à effet entre le gène et la MRC puisque ces souris récapitulaient plusieurs anomalies gastro-intestinales retrouvées chez les patients. En outre, nous avons observé que la gravité des caractéristiques observées chez les souris peut dépendre du régime alimentaire et du génotype. De plus, nous avons observé que les mâles présentant une mutation ponctuelle reflétaient d’avantage la maladie. Par ailleurs, les lipoprotéines de ces animaux avaient une composition chimique et protéique altérée avec une diminution de la quantité d’ApoB-100 dans les fractions de VLDL et LDL, ainsi qu’une augmentation des ratios cholestérol ester/phospholipides et des ratios lipides estérifiés/lipides non-estérifiés. Enfin, nous avons observé que l'altération du gène Sar1b dans l'intestin affecte son homéostasie lipidique et modifie l'expression génique et protéique de plusieurs facteurs importants dans le stress du RE, la β-oxydation, la lipogenèse et le métabolisme du cholestérol. En conclusion, même si cette thèse comporte plusieurs limites, nous avons pu établir le rôle de la PLD1 et de la Sar1b GTPase dans l'homéostasie lipidique. En effet, nous sommes les premiers à avoir démontré que l'altération du gène PLD1 affecte la sécrétion de CM et le métabolisme des lipides dans les cellules intestinales. De plus, nous avons pu confirmer in vivo la relation de cause à effet entre la MRC et la protéine Sar1b, tout en ayant une meilleure compréhension de son impact sur le métabolisme des lipides qui peut varier en fonction de différents facteurs tels que le génotype et la diète. Une meilleure compréhension de ces protéines permettrait d'augmenter les cibles possibles pour le développement de traitements ciblant la sécrétion de CM et de mieux comprendre les conséquences que la mutation de ces gènes peut avoir chez les patients. / Chylomicrons (CMs) are vesicles produced and secreted by enterocytes in the small intestine to transport lipids and fat-soluble vitamins from the diet into the bloodstream. The mechanisms of CM transport, formation and secretion are very complex and defects in these mechanisms can significantly affect the quality of life of an individual. It is clear that there are gaps in our understanding of the proteins that regulate these processes since some patients with intestinal malabsorptions do not have mutations for known proteins and other patients with known mutations have incomprehensible clinical features. Phospholipase D (PLD) 1 and Sar1b GTPase are two proteins whose role in intestinal lipid homeostasis remains to be better defined. PLD1 is an enzyme whose main role is to catalyze the formation of phosphatidic acid from phosphatidylcholine. Its product regulates many cellular processes such as endocytosis, exocytosis and vesicular trafficking. However, its function in intestinal lipid homeostasis was unknown until now. Sar1b GTPase, on the other hand, regulates COPII vesicle formation in the endoplasmic reticulum (ER) and its mutation has previously been associated with CM retention disease (CRD), one of the three major diseases that cause intestinal lipid malabsorption. However, our scientific knowledge about this enzyme is quite limited and even its cause and effect relationship remains to be defined in a complex organism such as a mammal. Therefore, the overall goal of this thesis is to highlight the role of PLD1 and the Sar1b GTPase in intestinal lipid transport and metabolism. To achieve these objectives, we either administered inhibitors of the activity of different PLD isoforms to Caco2/15 enterocyte cells or used cells with protein depletion of PLD1. In addition, for the Sar1b GTPase, we used mice with either a point mutation or a deletion of Sar1b. Our results showed that decreased protein expression of PLD1 reduces CM secretion and alters the protein expression of important factors involved in β-oxidation and lipogenesis. With regard to the Sar1b GTPase, we could observe that homozygous mice with a mutation or deletion of Sar1b are not viable and would appear to die just after birth given the normal embryonic development of these mice. With the heterozygous mice, we were still able to confirm the causal relationship between the gene and CRD since these mice recapitulated several gastrointestinal abnormalities found in patients. In addition, we observed that the severity of the features observed in the mice may depend on diet and genotype. In addition, we observed that males with a point mutation reflected the most the disease. Also, the lipoproteins of these animals had an altered chemical and protein composition, with a decrease in the amount of ApoB-100 in the VLDL and LDL fractions, as well as an increase in choesteryl ester/phospholipids ratios and esterified/nonesterified lipid ratios. Finally, we observed that alteration of the Sar1b gene in the gut affects its lipid homeostasis and alters the gene and protein expression of several factors important in ER stress, β-oxidation, lipogenesis, and cholesterol metabolism. In conclusion, although this thesis has several limitations, we were able to establish the role of PLD1 and the Sar1b GTPase in lipid homeostasis. Indeed, we are the first to have demonstrated that alteration of the PLD1 gene affects CM secretion and lipid metabolism in intestinal cells. Furthermore, we were able to confirm in vivo the causal relationship between MRC and the Sar1b protein, while having a better understanding of its impact on lipid metabolism which can vary according to different factors such as genotype and diet. A better understanding of these proteins would increase the possible targets for the development of treatments targeting CM secretion and better understand the consequences that mutation of these genes may have in patients.

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Le syndrome métabolique (SyM) consiste en une association de désordres physiologiques qui augmentent le risque de développer la stéatose hépatique non alcoolique, le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires. De plus en plus d’études démontrent que l’intestin joue un rôle prépondérant dans la santé métabolique compte tenu de ses fonctions liées à l'immunité, au système endocrinien, à la barrière intestinale et à la présence du microbiote intestinal. Une perturbation de l’homéostasie intestinale peut influencer négativement la santé métabolique des autres organes, notamment du foie qui représente un acteur métabolique clé. À l’heure actuelle, les composantes du SyM sont traitées isolément, et aucun médicament ne cible efficacement l’ensemble des composantes. Récemment, certains peptides bioactifs du lait, comme le glycomacropeptide (GMP), ont été associés à une atténuation de l’inflammation et du stress oxydant dans certaines pathologies comme la colite ulcéreuse, l’asthme allergique, la phénylcétonurie et l’obésité. En effet, ce peptide revêt un intérêt considérable en raison de son aptitude à atténuer divers dérangements métaboliques. Toutefois, ses effets précis sur l’ensemble des composantes du SyM ainsi que sur l’axe intestin-foie demeurent méconnus. Les objectifs de cette thèse consistent donc à définir l’impact du GMP sur l’ensemble des facteurs de risque du SyM, ciblant à la fois les systèmes intestinaux et hépatiques, tout en mettant l’accent sur ses mécanismes d’action. Premièrement, nous avons évalué l’impact du GMP sur le maintien de l’homéostasie entérocytaire en employant la lignée cellulaire intestinale Caco 2/15. Nos résultats démontrent que le GMP atténue l’inflammation et le stress oxydant, module l’expression de certains facteurs clés de la cascade insulinique, et limite la production excessive de lipoprotéines riches en triglycérides et en cholestérol in vitro. Deuxièmement, nous avons examiné l’influence du GMP sur plusieurs composantes du SyM en mettant l’accent sur l’atteinte hépatique dans un modèle de souris soumises à une diète de type western. Dans ce modèle, la supplémentation en GMP a limité la résistance l’insuline en atténuant l’inflammation et le stress oxydant systémique. De plus, le GMP a prévenu l’atteinte hépatique en limitant l’accumulation des lipides et en améliorant la sensibilité à l’insuline, ce qui s’est traduit par une augmentation de la β-oxydation des acides gras et une diminution de la lipogenèse et de la néoglucogenèse. Troisièmement, nous avons approfondi les mécanismes d’action du GMP au niveau de l’axe intestin-foie. Nos travaux indiquent que les effets bénéfiques exercés sur la santé par le GMP sont médiés par une amélioration de l’endotoxémie, de l’étanchéité de la barrière épithéliale intestinale et de l’homéostasie de l’axe intestin-foie. Dans l’ensemble, nos travaux permettent de préciser l’impact du GMP sur l’ensemble des facteurs de risque du SyM et de caractériser ses mécanismes d’action dans l’axe intestin-foie. Ses multiples actions bénéfiques confèrent au GMP un potentiel thérapeutique pour le traitement du SyM. / Metabolic syndrome is a combination of physiological disorders that increase the risk of developing non-alcoholic fatty liver disease, type 2 diabetes, and cardiovascular disease. A growing body of research shows that the gut plays a key role in metabolic health, through its functions relating to immunity, the endocrine system, the gut barrier, and the presence of the intestinal microbiota. A disturbance in intestinal homeostasis can negatively influence the metabolic health of other organs, notably the liver, a key metabolic player. At present, metabolic syndrome components are treated individually, and no single drug effectively targets all of them. Recently, certain bioactive milk peptides, such as glycomacropeptide (GMP), have been associated with an attenuation of inflammation and oxidative stress in certain pathologies such as ulcerative colitis, allergic asthma, phenylketonuria and obesity. This peptide is of particular interest given its ability to alleviate certain metabolic disturbances. However, its role on all metabolic syndrome components, as well as on the gut-liver axis, remains poorly understood. The aim of this thesis is therefore to define the impact of GMP on all metabolic syndrome risk factors, targeting both the intestinal and hepatic systems, while focusing on its mechanisms of action. Firstly, we assessed the impact of GMP on enterocyte homeostasis using the Caco 2/15 intestinal cell line. Our results demonstrate that GMP attenuates inflammation and oxidative stress; modulates the expression of certain key factors in the insulin cascade and prevents the excessive production of triglyceride- and cholesterol-rich lipoproteins in vitro. Secondly, we examined the influence of GMP on all metabolic syndrome components, focusing on liver damage in a diet induced obesity (DIO) animal model. In this model, GMP supplementation limited insulin resistance by attenuating systemic inflammation and oxidative stress. In addition, GMP prevented liver damage by reducing lipid accumulation and improving insulin sensitivity, resulting in improved β-oxidation of fatty acids and reduced lipogenesis and gluconeogenesis. Thirdly, we investigated the mechanisms of action of GMP at the level of the gut-liver axis. Our work indicates that the health-promoting effects of GMP are mediated by an improvement in the integrity of the intestinal epithelial barrier and in the homeostasis of the gut-liver axis, by acting on microbiota dysbiosis and bile acid composition. Overall, our work has enabled us to clarify the impact of GMP on all metabolic syndrome risk factors, and to characterize its mechanisms of action in the gut-liver axis. Its multiple beneficial actions on health give GMP therapeutic potential for the treatment of metabolic syndrome.

This thesis investigates how air pollution, both natural and anthropogenic, affects changes in the proximal small intestine and ileum microbiota profile, as well as intestinal barrier integrity, histological changes, and inflammation. APO-E KO mice on a high fat diet were randomly selected to be exposed by whole body inhalation to either wood smoke (WS) or mixed vehicular exhaust (MVE), with filtered air (FA) acting as the control. Intestinal integrity and histology were assessed by observing expression of well- known structural components tight junction proteins (TJPs), matrix metallopeptidase-9 (MMP-9), and gel-forming mucin (MUC2), as well known inflammatory related factors: TNF-α, IL-1β, and toll-like receptor (TLR)-4. Bacterial profiling was done using DNA analysis of microbiota within the ileum, utilizing 16S metagenomics sequencing (Illumina miSeq) technique. Overall results of this experiment suggest that air pollution, both anthropogenic and natural, cause a breach in the intestinal barrier with an increase in inflammatory factors and a decrease in beneficial bacteria. This evidence suggests the possibility of air pollution being a potential causative agent of intestinal disease as well as a possible contributing mechanism for induction of systemic inflammation.

Structure learning of Bayesian Networks (BNs) is an NP-hard problem, and the use of sub-optimal strategies is essential in domains involving many variables. One of them is to generate multiple approximate structures and then to reduce the ensemble to a representative structure. It is possible to use the occurrence frequency (on the structures ensemble) as the criteria for accepting a dominant directed edge between two nodes and thus obtaining the single structure. In this doctoral research, it was made an analogy with an adapted one-dimensional random-walk for analytically deducing an appropriate decision threshold to such occurrence frequency. The obtained closed-form expression has been validated across benchmark datasets applying the Matthews Correlation Coefficient as the performance metric. In the experiments using a recent medical dataset, the BN resulting from the analytical cutoff-frequency captured the expected associations among nodes and also achieved better prediction performance than the BNs learned with neighbours thresholds to the computed. In literature, the feature accounted along of the perturbed structures has been the edges and not the directed edges (arcs) as in this thesis. That modified strategy still was applied to an elderly dataset to identify potential relationships between variables of medical interest but using an increased threshold instead of the predict by the proposed formula - such prudence is due to the possible social implications of the finding. The motivation behind such an application is that in spite of the proportion of elderly individuals in the population has increased substantially in the last few decades, the risk factors that should be managed in advance to ensure a natural process of mental decline due to ageing remain unknown. In the learned structural model, it was graphically investigated the probabilistic dependence mechanism between two variables of medical interest: the suspected risk factor known as Metabolic Syndrome and the indicator of mental decline referred to as Cognitive Impairment. In this investigation, the concept known in the context of BNs as D-separation has been employed. Results of the carried out study revealed that the dependence between Metabolic Syndrome and Cognitive Variables indeed exists and depends on both Body Mass Index and age. / O aprendizado da estrutura de uma Rede Bayesiana (BN) é um problema NP-difícil, e o uso de estratégias sub-ótimas é essencial em domínios que envolvem muitas variáveis. Uma delas consiste em gerar várias estruturas aproximadas e depois reduzir o conjunto a uma estrutura representativa. É possível usar a frequência de ocorrência (no conjunto de estruturas) como critério para aceitar um arco dominante entre dois nós e assim obter essa estrutura única. Nesta pesquisa de doutorado, foi feita uma analogia com um passeio aleatório unidimensional adaptado para deduzir analiticamente um limiar de decisão apropriado para essa frequência de ocorrência. A expressão de forma fechada obtida foi validada usando bases de dados de referência e aplicando o Coeficiente de Correlação de Matthews como métrica de desempenho. Nos experimentos utilizando dados médicos recentes, a BN resultante da frequência de corte analítica capturou as associações esperadas entre os nós e também obteve melhor desempenho de predição do que as BNs aprendidas com limiares vizinhos ao calculado. Na literatura, a característica contabilizada ao longo das estruturas perturbadas tem sido as arestas e não as arestas direcionadas (arcos) como nesta tese. Essa estratégia modificada ainda foi aplicada a um conjunto de dados de idosos para identificar potenciais relações entre variáveis de interesse médico, mas usando um limiar aumentado em vez do previsto pela fórmula proposta - essa cautela deve-se às possíveis implicações sociais do achado. A motivação por trás dessa aplicação é que, apesar da proporção de idosos na população ter aumentado substancialmente nas últimas décadas, os fatores de risco que devem ser controlados com antecedência para garantir um processo natural de declínio mental devido ao envelhecimento permanecem desconhecidos. No modelo estrutural aprendido, investigou-se graficamente o mecanismo de dependência probabilística entre duas variáveis de interesse médico: o fator de risco suspeito conhecido como Síndrome Metabólica e o indicador de declínio mental denominado Comprometimento Cognitivo. Nessa investigação, empregou-se o conceito conhecido no contexto de BNs como D-separação. Esse estudo revelou que a dependência entre Síndrome Metabólica e Variáveis Cognitivas de fato existe e depende tanto do Índice de Massa Corporal quanto da idade.