Au cours des dernières années, un intérêt grandissant concernant les rôles physiologiques des endocannabinoïdes (eCBs) a été observé. Le système eCB est une cible attrayante pour la modulation du système immunitaire et de la douleur périphérique. Bien que le récepteur CB1 soit distribué dans le système nerveux, le récepteur CB2 est traditionnellement associé au système immunitaire. Ce dogme fait maintenant l’objet d’un débat depuis la découverte de l’expression du récepteur CB2 dans certains neurones. La rétine est un modèle important pour l’étude de processus neuronaux. La présence du récepteur CB1 y a été démontrée. Des études fonctionnelles rapportent que l’activation des récepteurs cannabinoïdes affecte le fonctionnement de plusieurs cellules rétiniennes. À ce jour, aucune étude ne s’est intéressée au rôle global des récepteurs CB1 et CB2 dans la rétine. Nous avons investigué les conséquences de l’élimination du récepteur CB1 (cnr1-/-) ou du récepteur CB2 (cnr2-/-) sur la fonction rétinienne mesurée par électrorétinographie. Nous avons également caractérisé la distribution du récepteur CB2 dans la rétine. Pour ce faire, nous avons comparé la spécificité de plusieurs anticorps dirigés contre le récepteur CB2. Seulement l’un des anticorps testés a montré une spécificité satisfaisante. Il a permis de détecter la présence du récepteur CB2 dans les cônes, les bâtonnets, les cellules horizontales, amacrines, bipolaires et ganglionnaires. Nos résultats d’électrorétinographie indiquent que seules les souris cnr2-/- présentent une amplitude accrue de l’onde a des ERG, en conditions scotopiques. En conditions photopiques, l’amplitude de l’onde b des souris cnr2-/- montre un schéma d’adaptation à la lumière différent des autres groupes. Aucun effet significatif n’a été observé chez les animaux cnr1-/-. Ces résultats permettent de conclure que les récepteurs CB1 et CB2 jouent des rôles différents dans le traitement visuel et que le récepteur CB2 semble être impliqué dans l’établissement des réponses rétiniennes. / Cannabinoid receptors (CB1R and CB2R) are among the most abundant G-protein coupled receptors in the central nervous system. The endocannabinoid system is an attractive target for immune system modulation and peripheral pain management. While CB1R is distributed in the nervous system, CB2R has traditionally been associated to the immune system. This dogma is currently a subject of debate since the discovery of CB2R expression in neurons. The retina is an interesting model for neuronal processes’ study. The activation of cannabinoid receptors modulates neurotransmitter release from photoreceptors and could also affect bipolar cell synaptic release. However, the impact of CB1r and CB2R on the retinal function as a whole is currently unknown. In the present study, we investigated the function of cannabinoid receptors in the retina by recording electroretinographic responses (ERG) from mice lacking either CB1 or CB2 receptors (cnr1-/- and cnr2-/-, respectively). We also documented the precise distribution of CB2R by comparing the specificity of library of CB2R antibodies. One of the antibodies tested exhibited a valuable specificity and localized CB2R expression in cones and rods photoreceptors, horizontal cells, some amacrine cells, and bipolar and ganglion cells. In scotopic conditions, the amplitudes of the awave of the ERG were increased in cnr2-/- mice, while they remained unchanged in cnr1-/- mice. Under photopic conditions, b-wave amplitudes of cnr2-/- mice required more light adaptation time to reach stable values. No effect was observed in cnr1-/- mice. These data indicate that CB2R is likely to be involved in shaping retinal responses to light and suggest that CB1 and CB2 receptors could have different roles in visual processing.

La protéostasie désigne l’ensemble de stratégies développées par la cellule pour assurer la préservation de son protéome. Parmi celles-ci on peut citer le contrôle du repliement, de la concentration, et de la distribution des protéines. Les neurones en raison de leur importante activité métabolique représentent une population cellulaire particulièrement vulnérable à l’altération de la protéostasie, auquel cas on parle de protéinopathie. C’est notamment le cas des tauopathies et β-amyloidopathies, deux troubles neurodégénératifs, respectivement caractérisés par le dysfonctionnement de la protéine tau et du peptide amyloïde-β (Aβ). La protéine tau par le biais de son état de phosphorylation contrôle la stabilisation des microtubules, tandis que l’Aβ issu du clivage de l’APP (Amyloid Precursor Protein) serait impliqué dans la plasticité synaptique ; de telle sorte que l’altération du fonctionnement ou de la protéostasie de ces deux molécules engendre de graves troubles neuronaux. Le glaucome, principale cause de cécité irréversible au monde, est une neuropathie dégénérative caractérisée par la perte spécifique des somas des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) et de leurs axones dans le nerf optique. Bien que l’hypertension oculaire (HTO) soit le principal facteur de risque, on ignore la cause du glaucome raison pour laquelle il n’existe aucun remède contre la maladie. La maladie d’Alzheimer (MA), principale cause de démence, est caractérisée par la présence d’enchevêtrement neurofibrillaires formés de la protéine tau dans les neurones et de plaques séniles constitué d’agrégats d’Aβ dans le parenchyme cérébral. De manière surprenante, de nombreuses études révèlent que le glaucome et la MA présentent de nombreux points communs. C’est ainsi que des agrégats d’Aβ et de tau ont été trouvés dans les CGR de sujets atteints du glaucome. De même les sujets victimes de la MA présentent des déficits visuels et une dégénérescence des CGR. Vu l’importance de tau pour la physiologie neuronale et son rôle de médiateur de la toxicité d’Aβ, nous proposons l’hypothèse selon laquelle le dysfonctionnement de la protéine tau résulte en la perte des CGR. Les résultats présentés dans cette thèse reposent sur deux modèles expérimentaux de neurodégénérescence : un modèle de glaucome dépendant de HTO chez les rats (modèle de Morrison) et le modèle 3xTg de la MA chez lequel les souris expriment des mutations dans la protéine tau et la voie Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Chez ces animaux nous avons prélevé la rétine, le nerf optique et le cerveau, sur lesquels nous avons étudié l’expression, la distribution, et la neurotoxicité de tau par western blot, immunohistochimie et PCR quantitative. Nos résultats révèlent que comparativement aux contrôles sains, les rétines malades (glaucome et MA) présentent une accumulation de tau anormalement phosphorylée, tandis que son expression génique reste inchangée. Cette hausse de tau est la conséquence de sa relocalisation vers le compartiment somatodendritique et le segment axonal intrarétinien des CGR, ceci au détriment des axones myélinisés inclus dans le nerf optique. Nos données montrent que les CGR 3xTg présentent une baisse drastique du transport axonal antérograde, indiquant que l’altération de la distribution de tau pourrait être à la base de cette perte de fonction axonale. Finalement, nous démontrons que l’accumulation de tau dans la rétine malade provoque éventuellement la mort des CGR. Au total, cette thèse démontre que les rétines atteintes du glaucome et de la MA présentent les manifestations cardinales des tauopathies à savoir l’accumulation, l’altération de la phosphorylation, et une distribution anormale de tau le tout culminant en la perte de fonction et la dégénérescence des CGR. / Proteostasis refers to a set of strategies developed by the cell to ensure the maintenance of its proteome. These strategies include the control of protein folding, the amount, and the distribution of the proteins. Neurons are endowed with a high metabolic rate and, as such, are highly vulnerable to alterations in proteostasis, a situation referred to as proteinopathy. Tauopathies and β-amyloidopathies are two such instances wherein tau and amyloid-β, respectively, undergo dysfunction. Tau protein is a microtubule stabilising protein which function is regulated by its phosphorylation state, while Aβ a product of the cleavage of APP (Amyloid Precursor Protein) which is thought to be involved in the regulation of synaptic plasticity. Therefore, functional or proteostatic alterations of these proteins result in harmful consequences for neurons. Glaucoma, the main cause of irreversible blindness, is a degenerative optic neuropathy characterised by the selective loss of retinal ganglion cells (RGC) and their axons in the optic nerve. Although ocular hypertension (OHT) is the main risk factor for the development of glaucoma, the cause of the disease is still unknown. There is currently no cure for glaucoma and the only available treatment is to reduce OHT pharmacologically or surgically. Alzheimer’s disease, the main cause of dementia, is characterized by the presence of neurofibrillary tangles made of tau protein in neurons and senile plaques made of Aβ in the cerebral parenchyma. Intriguingly, several studies have shown that glaucoma and AD share several common features. For instance, aggregates of tau and Aβ have been described in the retina of glaucoma subjects. Likewise, AD patients show visual defects associated with RGC degeneration. Mindful of the importance of tau for neuronal physiology, and of its role as mediator of Aβ toxicity, we put forward the hypothesis that tau protein alterations leads to RGC dysfunction and death. vii The results presented in this thesis were based on two experimental models of neurodegeneration: a model of OHT-dependent glaucoma in rats leading to RGC death (Morrison model), and the 3xTg model of AD wherein mice overexpress mutant forms of tau and Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Using these animals, we collected retina, optic nerve, and brains which we used to study tau expression, distribution and neurotoxicity by western blot, immunohistochemistry and real-time PCR. Our results show that, when compared to healthy controls, the diseased retina (glaucoma or AD) display accumulation of abnormally phosphorylated tau while its gene expression remains unchanged. The increase of retinal tau protein might result from the redistribution of the protein in the somatodendritic compartment and intraretinal axonal segment of RGCs at the expense of the extraocular axonal segment enclosed within the optic nerve. Our data also demonstrate that RGCs from 3xTg mice show a drastic reduction of anterograde axonal transport suggesting that missorted tau might underlie these functional deficits. Lastly, we demonstrate that tau accumulation in the diseased retina eventually promotes RGC death. Altogether, this thesis demonstrates that the glaucomatous and AD retinas present the cardinal features of tauopathies including tau accumulation, altered phosphorylation, and mislocalization which contribute to RGC dysfunction and subsequent death.

La débitmétrie au laser à effet Doppler (LDF) constitue une méthode prometteuse et non-invasive pour l'étude du débit sanguin local dans l'œil. Cette technique est basée sur un changement de fréquence subi par la lumière lors du mouvement des globules rouges dans les vaisseaux. Une nouvelle sonde LDF a été testée pour sa sensibilité à évaluer la circulation rétinienne/choroïdienne sous des conditions hypercapniques et en présence de diverses substances vasoactives ou suivant la photocoagulation des artères rétiniennes chez le rat. Après dilatation pupillaire, la sonde LDF a été placée en contact avec la cornée de rats anesthésiés et parallèle à l'axe optique. L'hypercapnie a été provoquée par inhalation de CO2 (8% dans de l'air médical), alors que les agents pharmacologiques ont été injectés de façon intravitréenne. La contribution relative à la circulation choroïdienne a été évaluée à la suite de la photocoagulation des artères rétiniennes. Le débit sanguin s'est trouvé significativement augmenté à la suite de l'hypercanie (19%), de l'adénosine (14%) ou du nitroprusside de sodium (16%) comparativement au niveau de base, alors que l'endothéline-1 a provoqué une baisse du débit sanguin (11%). La photocoagulation des artères rétiniennes a significativement diminué le débit sanguin (33%). Des mesures en conditions pathologiques ont ensuite été obtenues après l'injection intravitréenne d'un agoniste sélectif du récepteur B1 (RB1). Ce récepteur des kinines est surexprimé dans la rétine des rats rendus diabétiques avec la streptozotocine (STZ) en réponse à l'hyperglycémie et au stress oxydatif. Les résultats ont montré que le RB1 est surexprimé dans la rétine chez les rats diabétiques-STZ à 4 jours et 6 semaines. À ces moments, le débit sanguin rétinien/choroïdien a été significativement augmenté (15 et 18 %) après l'injection de l'agoniste, suggérant un effet vasodilatateur des RB1 dans l'œil diabétique. Bien que la circulation choroïdienne contribue probablement au signal LDF, les résultats démontrent que le LDF représente une technique efficace et non-invasive pour l'étude de la microcirculation rétinienne in-vivo en continu. Cette méthode peut donc être utilisée pour évaluer de façon répétée les réponses du débit sanguin pendant des modifications métaboliques ou pharmacologiques dans des modèles animaux de maladies oculaires. / Laser Doppler Flowmetry (LDF) is a promising, non-invasive technique to assess local ocular blood flow. This technique is based on a Doppler frequency shift of the backscattered light due to the movement of the red blood cells in the vessels. A new LDF probe was tested for its sensitivity to assess the retinal/choroidal blood flow variations in response to hypercapnia, diverse vasoactive agents and following retinal arteries photocoagulation in the rat. After pupil dilation, a LDF probe was placed in contact to the cornea of anesthetised rats in the optic axis. Hypercapnia was induced by inhalation of CO2 (8% in medical air) while pharmacological agents were injected intravitreously. The relative contribution of the choroidal circulation to the LDF signal was determined after retinal artery occlusion by photocoagulation. Blood flow was significantly increased by hypercapnia (19%), adenosine (14%) and sodium nitroprusside (16%) as compared to baseline values while endothelin-1 decreased blood flow (11%). Photocoagulation of retinal arteries significantly decreased blood flow level (33%). Measurements in pathological conditions were then obtained after intravitreal injections of a B1R agonist. This kinin receptor is overexpressed in the retina of streptozotocin (STZ) diabetic rats in response to hyperglycaemia and oxidative stress. Data showed that B1R was upregulated in the STZ-diabetic retina at 4 days and 6 weeks. At these time points, retinal/choroidal blood flow was significantly increased (15 and 18 %) upon injection of the agonist, suggesting a vasodilatory effect of B1R in the diabetic eye. Although choroidal circulation most likely contributes to the LDF signal in this setting, the results demonstrate that LDF represents a suitable in vivo non-invasive technique to monitor online relative changes of retinal microcirculation. This technique could be used for repeatedly assessing blood flow reactivity to metabolic or pharmacologic challenges in rodent models of ocular diseases.

La rétinopathie diabétique est associée à plusieurs changements pathologiques du lit vasculaire rétinien, incluant l’ouverture de la barrière hémato-rétinienne, l’inflammation vasculaire et la modification du débit sanguin. Récemment, il a été proposé que le récepteur B1 des kinines, qui est surexprimé dans la rétine diabétique, puisse être impliqué dans le développement de ces altérations vasculaires. Ainsi, cette thèse présente les effets de traitements pharmacologiques avec des antagonistes du récepteur B1 sur la perfusion rétinienne, la perméabilité vasculaire, l’infiltration des leucocytes (leucostasie), l’expression de médiateurs de l’inflammation et la production d’anion superoxyde dans la rétine du rat rendu diabétique avec la streptozotocine (STZ). Les résultats obtenus montrent que l’application oculaire (10 µl d’une solution à 1%, deux fois par jour pendant 7 jours) de LF22-0542, un antagoniste hydrosoluble du récepteur B1, bloque significativement l’hyperperméabilité vasculaire, la leucostasie, le stress oxydatif et l’expression génique de médiateurs de l’inflammation (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β et HIF-1α) dans la rétine chez le rat à 2 semaines de diabète. L’administration orale (3 mg/kg) d’un antagoniste non-peptidique et sélectif pour le récepteur B1, le SSR240612, entraîne une diminution du débit sanguin rétinien 4 jours après l’induction du diabète mais n’a aucun effet sur la réduction de la perfusion rétinienne à 6 semaines. Le récepteur B1 joue donc un rôle protecteur au tout début du diabète en assurant le maintien d’un débit sanguin normal dans la rétine; un effet qui n’est toutefois pas maintenu pendant la progression du diabète. Ces données présentent ainsi la dualité du récepteur B1 avec des effets à la fois protecteurs et délétères. Elles suggèrent aussi un rôle important pour le récepteur B1 dans l’inflammation rétinienne et le développement des altérations vasculaires. Le récepteur B1 pourrait donc représenter une nouvelle cible thérapeutique pour le traitement de la rétinopathie diabétique. / Diabetic retinopathy is associated with retinal vascular changes, including blood retinal barrier breakdown, vascular inflammation and blood flow alterations. It has been proposed that kinin B1 receptor, which is upregulated in the diabetic retina, could be involved in the development of these pathological features of diabetic retinopathy. In a rat model of diabetes induced by Streptozotocin (STZ), the effects of kinin B1 receptor antagonists on retinal perfusion, vascular permeability, leukostasis, gene expression of inflammatory mediators and production of superoxide anion in the retina were evaluated. The results show that in 2-week diabetic rats, topical ocular application of the water soluble kinin B1 receptor antagonist LF22-0542 (10 µl of 1% solution, twice per day) for a 7-day period reverses vascular hyperpermeability, leukostasis, oxidative stress and gene expression of inflammatory mediators (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β and HIF-1α) in the retina. Single oral administration (3 mg/kg) of SSR240612, a selective non-peptide B1 receptor antagonist, induces a decrease of retinal blood flow in 4-day diabetic rats but has no effect on retinal blood flow reduction present at 6 weeks of diabetes. Therefore, B1 receptor has a protective role in early diabetes by preserving a normal blood flow in the retina. These data suggest that B1 receptor exerts protective and adverse effects in the diabetic retina. They also support a key role for B1 receptor in retinal inflammation and the development of vascular alterations. B1 receptor could therefore represent a promising therapeutic target for the treatment of diabetic retinopathy.

Au cours des dernières années, un intérêt grandissant concernant les rôles physiologiques des endocannabinoïdes (eCBs) a été observé. Le système eCB est une cible attrayante pour la modulation du système immunitaire et de la douleur périphérique. Bien que le récepteur CB1 soit distribué dans le système nerveux, le récepteur CB2 est traditionnellement associé au système immunitaire. Ce dogme fait maintenant l’objet d’un débat depuis la découverte de l’expression du récepteur CB2 dans certains neurones. La rétine est un modèle important pour l’étude de processus neuronaux. La présence du récepteur CB1 y a été démontrée. Des études fonctionnelles rapportent que l’activation des récepteurs cannabinoïdes affecte le fonctionnement de plusieurs cellules rétiniennes. À ce jour, aucune étude ne s’est intéressée au rôle global des récepteurs CB1 et CB2 dans la rétine. Nous avons investigué les conséquences de l’élimination du récepteur CB1 (cnr1-/-) ou du récepteur CB2 (cnr2-/-) sur la fonction rétinienne mesurée par électrorétinographie. Nous avons également caractérisé la distribution du récepteur CB2 dans la rétine. Pour ce faire, nous avons comparé la spécificité de plusieurs anticorps dirigés contre le récepteur CB2. Seulement l’un des anticorps testés a montré une spécificité satisfaisante. Il a permis de détecter la présence du récepteur CB2 dans les cônes, les bâtonnets, les cellules horizontales, amacrines, bipolaires et ganglionnaires. Nos résultats d’électrorétinographie indiquent que seules les souris cnr2-/- présentent une amplitude accrue de l’onde a des ERG, en conditions scotopiques. En conditions photopiques, l’amplitude de l’onde b des souris cnr2-/- montre un schéma d’adaptation à la lumière différent des autres groupes. Aucun effet significatif n’a été observé chez les animaux cnr1-/-. Ces résultats permettent de conclure que les récepteurs CB1 et CB2 jouent des rôles différents dans le traitement visuel et que le récepteur CB2 semble être impliqué dans l’établissement des réponses rétiniennes. / Cannabinoid receptors (CB1R and CB2R) are among the most abundant G-protein coupled receptors in the central nervous system. The endocannabinoid system is an attractive target for immune system modulation and peripheral pain management. While CB1R is distributed in the nervous system, CB2R has traditionally been associated to the immune system. This dogma is currently a subject of debate since the discovery of CB2R expression in neurons. The retina is an interesting model for neuronal processes’ study. The activation of cannabinoid receptors modulates neurotransmitter release from photoreceptors and could also affect bipolar cell synaptic release. However, the impact of CB1r and CB2R on the retinal function as a whole is currently unknown. In the present study, we investigated the function of cannabinoid receptors in the retina by recording electroretinographic responses (ERG) from mice lacking either CB1 or CB2 receptors (cnr1-/- and cnr2-/-, respectively). We also documented the precise distribution of CB2R by comparing the specificity of library of CB2R antibodies. One of the antibodies tested exhibited a valuable specificity and localized CB2R expression in cones and rods photoreceptors, horizontal cells, some amacrine cells, and bipolar and ganglion cells. In scotopic conditions, the amplitudes of the awave of the ERG were increased in cnr2-/- mice, while they remained unchanged in cnr1-/- mice. Under photopic conditions, b-wave amplitudes of cnr2-/- mice required more light adaptation time to reach stable values. No effect was observed in cnr1-/- mice. These data indicate that CB2R is likely to be involved in shaping retinal responses to light and suggest that CB1 and CB2 receptors could have different roles in visual processing.

Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Loss of vision in glaucoma results from the selective death of retinal ganglion cells (RGCs) and axonal degeneration. Elevated intraocular pressure (IOP) is the major risk factor for developing glaucoma, and current therapies have focused on pharmacological or surgical strategies to lower IOP. However, visual field loss continues to progress in spite of effective pressure control, indicating that mechanisms other than elevated IOP contribute to disease progression. Recent data demonstrate a neuroinflammatory component in glaucoma, characterized by upregulation of proinflammatory cytokines, most notably tumor necrosis factor α (TNFα). However, the mechanism by which the neuroinflammatory response acts on RGC death needs to be clarified. The main hypothesis of this thesis is that targeting pro-inflammatory factors including TNFα and phosphodiesterase-type 4 (PDE4), interferes with molecular mechanisms that contribute to RGC death and this will thus successfully promote neuronal protection. In the first part of my thesis, I used an in vivo glaucoma model in Brown Norway rats to show that TNFα is upregulated early after induction of ocular hypertension. The specific hypothesis of this study is that high levels of TNFα promote RGC death by mediating the membrane insertion of Ca2+-permeable AMPA receptors (CP-AMPARs). I blocked TNFα function with XPro1595, a selective inhibitor of soluble TNFα. Administration of XPro1595 effectively protected RGC soma and axons. The cobalt permeability assay was used to show that soluble TNFα triggers the membrane insertion of CP-AMPAR in RGCs of glaucomatous retinas. This CP-AMPAR activation is caused by the downregulation of GluA2 which occurs when neurons are exposed to elevated IOP. Finally, intraocular administration of specific CP-AMPAR antagonists promoted RGC soma and axon protection. Taken together, these results show that CP-AMPARs play an important role in in the pathology of glaucoma. In the second part of my thesis, I characterized the neuroprotective effect of ibudilast, an inhibitor of PDE4, in the Brown Norway glaucoma model. We hypothesized that ibudilast promotes neuron protection by attenuating gliosis and the neuroinflammatory response. The results show that in glaucomatous retinas, ibudilast attenuates gliosis and the expression of TNFα, interleukin-1β (IL-1β), interleukin-6 (IL-6) and macrophage migration inhibitory factor (MIF). Interestingly, elevated IOP leads to substantial expression of PDE4A in Müller cells, which correlates with the accumulation of cAMP in these cells after ibudilast treatment. Lastly, ibudilast promoted RGC soma and axons protection through the activation of the cAMP/PKA pathway. In conclusion, the findings presented in this thesis identify two different mechanisms underlying RGC loss in glaucoma. These mechanisms can potentially provide new insights to develop novel strategies for the treatment of glaucoma

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Le gène split end (spen) est impliqué dans de nombreuses voies de signalisation et processus biologiques. Durant ma thèse j'ai étudié le rôle de spen dans la mort cellulaire au cours du développement de la rétine de la Drosophile. L'œil de Drosophile est composé de centaines d'unités appelées ommatidies. Chaque ommatidie est composée de huit photorécepteurs entourés de cellules accessoires comprenant quatre cellules cônes et deux cellules pigmentaires primaires, ainsi que douze cellules interommatidiales. Les cellules interommatidiales adoptent une structure hexagonale parfaitement régulière. Des cellules interommatidiales en excès doivent être éliminées par apoptose au cours du développement. J'ai montré que la modulation de spen modifiait radicalement le patron des cellules interommatidiales. L'inactivation de spen conduit à un défaut de cellules interommatidiales alors que sa surexpression entraîne un excès de ces cellules. Ces résultats témoignent d’un rôle anti-apoptotique de spen. Nous avons aussi montré que la perte des cellules interommatidiales dans un contexte mutant pour spen pouvait être entièrement sauvée en exprimant la protéine p35 connue pour bloquer l'activité des caspases. Comme spen est exprimé de manière ubiquitaire, nous avons cherché à déterminer dans quelles cellules spen jouait son rôle de régulateur de la mort cellulaire. Grâce à une analyse clonale, nous avons pu montrer que c'est au niveau des cellules cônes que spen agit. L'inactivation de spen dans les autres cellules accessoires de l'œil n'influence pas la mort des cellules interommatidiales. Nous avons en outre, montré que spen avait un rôle dans la formation des soies de chaque ommatidie. Ces travaux mettent en évidence un rôle de spen dans le contrôle de la mort cellulaire des cellules interommatidiales dans les cellules cônes. Nos résultats montrent, par ailleurs, que spen serait requis pour le relarguage du facteur de survie Spitz (le ligand activateur de la voie EGF) à partir des cellules cônes. En parallèle, nous avons étudiés le rôle de survie de spen dans un modèle neurodégénératif. Nous avons montré que spen était nécessaire dans les cellules gliales pour la résistance au stress oxydatif. De manière intéressante, nous avons trouvé que l'inactivation de spen dans la glie diminuait l'activité de la voie de signalisation NOTCH. Cette résistance pourrait se faire via la modulation de gènes antioxydants. De manière générale, nos travaux démontrent un rôle du gène split ends dans la survie cellulaire. Ce facteur agit de manière non-autonome à partir des cellules supports de différents organes. / In metazoan, the successful development of many organs requires the elimination of supernumerary cells by apoptosis. For example, the elimination of about two thousand interommatidial cells (IOCs) during Drosophila eye development allows the precise rearrangement of ommatidia in a perfect hexagonal array. Maximal apoptosis occurs during pupal life and the remaining IOCs differentiate into secondary and tertiary pigment cells. The precise removal of unwanted IOCs requires coordinated activation of Notch (pro-death) and EGF (pro-survival) pathways. IOCs undergoing apoptosis express the IAP inhibitor Hid, which leads to the activation of initiator and effector caspases. However, the mechanisms that coordinate the death and survival pathways for timed and precise IOC removal are poorly understood.Here, we report that spen encodes a nuclear protein expressed in the pupal eye that is required for IOC survival. We showed that the inhibition of spen, by either RNAi or in spen mutant clones resulted in disorganized ommatidia with missing IOCs. Moreover, overexpression of spen leads to extra IOCs. These results indicate that spen expression promotes IOC survival during eye development. Importantly blocking apoptosis prevents the loss of IOC in a spen mutant retina. Spen is a protein known to be ubiquitous in tissue during development. Indeed, we have shown using an enhancer trap line that spen is expressed in all the cells in the eye pupal disk. To better understand where spen is acting from in this tissue to regulate cell death, we performed a clonal analysis. We found that the inactivation of spen in the cone cells was causing the loss of IOC, indicating that spen is required non-autonomously in cone cell for IOC survival. In parallel we have shown that the inactivation of spen was disrupting eye bristles morphology. Even if studies discuss the role of bristles in the regulation of developmental apoptosis in this context, our clonal analysis excluded this possibility. Furthermore, we found that spitz, the EGFR ligand, accumulate in cone cells upon spen inactivation. Our current hypothesis is that spen is likely to be required for the release of Spitz from the cone cells in order to active the survival signaling pathway EGFR in the IOCs. Also, we examined the protective role of spen in a chemical model of Parkinson disease (paraquat treatment). We showed that the glial expression of spen is protective in this context, which suggest against that spen acts non-autonomously. Interestingly we found that the inactivation of spen in glia downregulates the Notch signaling pathway. Spen is likely to be a key factor integrating cues from different signaling pathways to promote cell survival.

Cette thèse traite de l’étude et du développement d’un système d’optique adaptative pour la tomographie par cohérence optique plein champ (AO-FFOCT en anglais) appliquée à l’imagerie haute résolution de la rétine. L’analyse de l’effet des aberrations géométriques sur les performances en FFOCT a montré que pour une illumination spatialement incohérente, la résolution transverse est insensible aux aberrations et ne fait que diminuer le niveau du signal. Comme ce sont des aberrations de bas ordres comme la myopie et l’astigmatisme qui prédominent pour l’œil humain, une méthode d’optique adaptative avec une configuration sans conjugaison qui utilise une correction de front d’onde en transmission est suggérée, puis appliquée à la correction de ces ordres afin de simplifier le système d’AO-FFOCT. Des corrections de front d’onde sont effectuées sans analyseur de surface d’onde, en utilisant le niveau du signal de FFOCT comme métrique. Des expériences avec des échantillons diffusants et un œil artificiel sont menées pour démontrer la faisabilité d’un système d’AO-FFOCT conçu pour la correction d’aberration. Afin de résoudre les problèmes posés par les mouvements oculaires et de compenser en temps réel la différence de chemin optique entre les deux bras de l’interféromètre, l’instrument de FFOCT est couplé à un système d’OCT spectral. Avec cette combinaison de systèmes, l’imagerie FFOCT in vivo cellulaire de la rétine à haute résolution a été réalisée pour la première fois sur l’œil humain. / This thesis follows the study and development of an adaptive optics full-field optical coherence tomography (AO-FFOCT) system, aiming for high resolution en face human retinal imaging. During the quantification of the effects of geometrical aberrations on the FFOCT system performance, it is shown that, with spatially incoherent illumination, the lateral resolution of FFOCT is insensitive to aberrations, which only cause the FFOCT signal reduction. Since low order aberrations like myopia and astigmatism dominate in human eye, a non-conjugate AO configuration by using transmissive wavefront corrector is suggested and applied for low order aberrations correction to simplify the AO-FFOCT system. Wavefront corrections are done with a wavefront sensorless method by using FFOCT signal level as the metric. Experiments with scattering samples and artificial eye model are conducted to demonstrate the feasibility of the customized AO-FFOCT system for aberration correction. In order to resolve the eye motion effects and employ real-time matching of the optical path lengths of the two interferometric arms in FFOCT, a system combination of traditional spectral-domain OCT (SDOCT) with FFOCT is adopted. With this combined system, high resolution FFOCT cellular retinal imaging is achieved in human eye in vivo for the first time.

Au cours de ma thèse, mes projets de recherche ont visé à mieux comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant la prolifération et la spécification des cellules progénitrices dans la rétine du xénope à travers trois projets principaux. Le réseau de régulation qui contrôle la spécification des cellules progénitrices vers les sous-types neuronaux est à ce jour très peu connu. C’est dans ce contexte que j’ai étudié le rôle du facteur de transcription à domaine bHLH, Ascl1, dans la détermination des sous-types rétiniens au cours du développement. Par des approches in vivo de gain et perte de fonction d’Ascl1, des expériences d’épistasie et la recherche de ses cibles transcriptionnelles, j’ai pu mettre en évidence qu’Ascl1 (i) est impliqué dans la genèse des neurones GABAergiques rétiniens, (ii) qu’il est épistatique sur des facteurs glutamatergiques tels que Neurog2, NeuroD1 ou Atoh7, (iii) que son activité GABAergique est conférée par son domaine basique de liaison à l’ADN et (iv) que cette activité implique la régulation directe du facteur de transcription Ptf1a. Ces données ajoutent donc une nouvelle pièce au réseau transcriptionnel gouvernant la spécification des sous-types GABAergiques au cours du développement de la rétine. La mise en place correcte des types et sous-types cellulaires de la rétine nécessite une coordination avec le moment de sortie du cycle cellulaire des progéniteurs rétiniens. Dans ce contexte, j’ai contribué à l’avancée d’un projet visant à étudier le réseau de signalisation contrôlant la prolifération des précurseurs de la rétine. Par des approches in vivo, génétiques et pharmacologiques, cette étude a montré que les voies Wnt et Hedgehog s’antagonisent pour réguler l’activité proliférative des cellules souches et progénitrices rétiniennes. Nos données préliminaires suggèrent que ces voies agissent de façon opposée à la fois sur la sortie et sur la cinétique du cycle cellulaire. Ce travail nous a conduit à proposer un modèle selon lequel ces voies Wnt et Hedgehog réguleraient la balance entre prolifération et différenciation dans la rétine post-embryonnaire. Enfin, dans le but d’élargir nos connaissances sur les réseaux de signalisation et les réseaux transcriptionnels impliqués dans le contrôle de la prolifération et de la détermination cellulaire dans la rétine, j’ai également contribué à la recherche de nouveaux marqueurs spécifiques des différentes populations cellulaires rétiniennes au travers d’un crible à grande échelle par hybridation in situ. De nombreux gènes spécifiquement exprimés dans les cellules souches ou les cellules progénitrices constituent des gènes candidats pour de futures approches fonctionnelles. / My thesis research work aimed to better understand the molecular mechanisms underlying proliferation and specification of retinal progenitors in Xenopus through three main projects. As the mechanisms governing specification of retinal progenitors towards the different neuronal subtypes are still poorly understood, I focused my work on the role of Ascl1, a bHLH transcription factor, in cell-subtype determination during retinogenesis. Using in vivo gain- and loss-of-function experiments, I have investigated Ascl1’s epistatic relationships with other bHLH factors and identified its transcriptional targets. My results indicate that Ascl1 (i) is implicated in the genesis of retinal GABAergic neurons (ii) is epistatic to glutamatergic factors such as Neurog2, NeuroD1 and Atoh7 (iii) that its basic DNA-biding domain is sufficient for its GABAergic-inducing activity (iv) and that this activity involves a direct regulation of the Ptf1a transcription factor. The correct order of neural cell types and subtypes formation is tightly coordinated with the timing of cell-cycle exit of retinal progenitors. Ongoing work in the laboratory, to which I have contributed, was therefore investigating the role of signaling pathways controlling retinal precursor proliferation in this process. Using in vivo genetic and pharmacological tools, we have shown that an antagonistic cross-regulation between Wnt and Hedgehog signaling governs stem cell and progenitor proliferation in post-embryonic retina. Preliminary data shows that Wnt and Hedgehog have opposite effects on both cell cycle exit and kinetics and may therefore regulate the proliferation/differentiation balance in the post-embryonic retina. Lastly, in order to broaden our knowledge on the transcriptional and signaling networks which govern proliferation and cell fate determination in the retina, I have participated in a large scale screen by in situ hybridization aiming to identify new molecular markers of different retinal cell population. Many genes that are exclusively expressed in retinal stem cells or progenitors are promising candidates for future functional studies.