Les toxidermies médicamenteuses sont des réactions de toxicité cutanée déclenchées par la prise d’un ou de plusieurs médicament(s). Dans les cas les plus graves, ces effets indésirables médicamenteux menacent la vie des patients. La plupart des toxidermies ne seraient pas déclenchées par la substance médicamenteuse elle-même, mais par un ou plusieurs de ses métabolites cutanés suffisamment réactif(s) pour former un complexe antigénique avec les protéines épidermiques. Cette étape-clé serait le point de départ des mécanismes immunitaires à l’origine des toxidermies. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’activation métabolique in situ de la Névirapine, un antirétroviral à l’origine de toxidermies chez 20% des patients. En utilisant une technique non invasive, la RMN HRMAS associée aux épidermes humains reconstruits, il a été possible de suivre l’éventuelle bioactivation épidermique de la Névirapine et de ses dérivés ainsi que la fixation de l’un d’eux dans l’épiderme. / Drug-induced toxidermia are cutaneous toxicity reactions caused by a drug therapy. In the most serious cases, these side effects of drugs are life-threatening.Most toxidermia are not induced by the parent drug, but by one or several skin metabolite(s) which may become antigenic by binding with epidermal proteins. This drug-protein conjugation step could be the starting point of immune responses leading to skin lesions.The aim of the PhD project was to study the in situ metabolic activation of Nevirapine, an anti-retroviral drug associated with toxidermia with an incidence of 20%. By using a non-invasive analysis technique, HR-MAS NMR spectroscopy on reconstructed human epidermis, it has been possible to follow the possible bioactivation of Nevirapine and its derivatives as well as the binding of one of them with the epidermis.

Le dogme relatif à la radiorésistance du Système Nerveux Central (SNC) a vécu. Les progrès en neurosciences permettent aujourd'hui de reconsidérer les dysfonctionnements cognitifs radio-induits observés au décours des radiothérapies ou après un accident d'irradiation, et d'envisager des moyens diagnostiques et thérapeutiques adaptés. Nous avons développé un modèle Rat afin d'étudier les effets d'une irradiation gamma corps entier à dose sublétale (4,5 Gy). Celle-ci induit des troubles de l'apprentissage et de la mémorisation d'une tâche en cours d'acquisition durant le premier mois – lesquels sont prévenus par l'administration d'une molécule radioprotectrice de référence (amifostine) – tandis qu'elle ne semble pas perturber la mémoire rétrograde. Précocement, une vague apoptotique survient 5 à 9 heures après exposition dans la zone sous-ventriculaire avec, en parallèle, une neurogenèse anéantie. Deux jours après irradiation, l'étude métabolique ex vivo réalisée par RMN HRMAS (High Resolution Magic Angle Spinning) suggère la présence d'un œdème cérébral tandis que l'étude des lipides cérébraux en RMN liquide confirme l'atteinte membranaire (élévation du cholestérol et des phospholipides). Le profil lipidique se normalise ensuite tandis qu'une réaction gliale apparait. Enfin, 1 mois post-irradiation, l'élévation du GABA, neurotransmetteur inhibiteur du SNC, dans 2 structures cérébrales distinctes, s'accompagne d'une diminution de la taurine dans l'hippocampe qui persiste 6 mois. Notre modèle intégré permet ainsi de valider des biomarqueurs quantifiables en spectroscopie RMN in vivo – prochaine étape expérimentale – et de tester de nouvelles thérapeutiques radioprotectrices.

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

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

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

La spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Haute Résolution à l’angle magique (HRMAS) joue un rôle de plus en plus prépondérant pour le diagnostic médical. Cette technique permet d’établir les empreintes ex vivo des métabolites de tissus sains et pathologiques. Cependant, pour certains métabolites, les valeurs des déplacements chimiques des groupes de protons peuvent légèrement varier en fonction de l’environnement des tissus ou cellules, particulièrement de son acidité. Cet effet gêne l’estimation correcte des concentrations des métabolites lorsqu’on utilise des algorithmes fondés sur des bases de métabolites. Ce travail est dévolu aux méthodes d’optimisation des bases de métabolites, notamment aux algorithmes de correction des changements de déplacements chimiques. Deux méthodes de traitement du signal ont été développées pour l’optimisation simple et rapide des signaux / spectres : contraction/expansion du signal moyennant ré-échantillonnage et fractionnement du spectre. Une autre méthode, QM-QUEST, conjuguant la simulation par Mécanique Quantique et la quantification, a été mise en œuvre. Cette dernière permet l’ajustement plus robuste des spectres en limitant l’implication de l’utilisateur et préserve les empreintes correctes des métabolites. Son efficacité est démontrée pour la quantification de spectres RMN de biopsies cérébrales humaines d’oligodendroglioma, obtenues à 11.7 Tesla et de spectres de cellules acquis à 9.4 T par la technique RMN-HRMAS. Etant donné la nécessité de simulation rapide des signaux RMN basée sur la Mécanique Quantique, une partie du travail est vouée à une méthode approchée accélérant la simulation. L’algorithme fondé sur la fragmentation du système de spins pourrait devenir une partie importante de la méthode d’optimisation QM-QUEST et sema mis en œuvre en tant qu’option de simulation de la méthode NMR-SCOPE, module du logiciel jMRUI. / From day to day, the role of HRMAS (High-Resolution Magic Angle Sinning) Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMRS) in medical diagnosis is increasing. This technique enables setting up metabolite profiles of ex vivo pathological and healthy tissue. Automatic spectrum quantitation enables monitoring of diseases. However for several metabolites, the values of chemical shifts of proton groups may slightly differ according to the micro-environment in the tissue or cells, in particular to its pH. This hampers accurate estimation of the metabolite concentrations mainly when using quantitation algorithms based on a metabolite basis-set. The present word is devoted to the optimization of NMR metabolite basis set signals, particularly to the algorithms of chemical shift mismatch correction. Two sighal processing (“warping”) methods were developed for simple and fast spectrum optimization : signal stretching/shrinking (resampling) and spectrum splitting. Then, another optimization method, QM-QUEST, coupling Quantrum Mechanical simulation and quantitation algorithms was implemented. The latter provides more robust fitting while limiting user involvement and respects the correct fingerprints of metabolites. Its efficiency is demonstrated by accurately quantitating signals from tissue samples of human brains with oligodendroglioma, obtained at 11.7 Tesla and spectra of cells acquired at 9.4T by HRMAS-NMR. As the necessity of fast NMR signal simulation based on quantum Mechanics is raised in the thesis, a part of the word is dedicated to an approximate method speeding-up the calculations. The algorithm based on spin-system fragmentation could become an important part of the QM-QUEST optimization method and will be implemented as an option of simulation in NMR-SCOPE, module of the jMRUI software package.

Ces travaux de thèse portent sur l'analyse des mélanges réels et synthétiques complexes composés de petites molécules à l'aide de la RMN HRMAS. Dans une première partie, une approche RMN HRMAS basée sur l'analyse métabolomique en combinaison avec des techniques de reconnaissance des formes (PCA et O-PLS-DA) a été appliquée pour le diagnostic des lésions thyroïdiennes indéterminées et étudier également les effets biologiques négatifs des nanoparticules d'aluminium sur pseudomonas brassicacearum. Dans une seconde partie, nous avons étudié la RMN chromatographique en utilisant la silice comme matrice de support qui pourrait fournir une alternative rapide et complète de la LC pour la caractérisation de mélanges complexes. En outre, l'exigence de la suppression du signal dans l'extrait de plantes naturelles et d'hydrocarbures aromatiques conduit à l'élaboration d'une méthode rapide et précise en utilisant des polymères à empreintes moléculaires avec une excellente sélectivité. La sélectivité des polymères à empreintes moléculaires à travers la capture d'une cible moléculaire spécifique est exploitée ici pour éliminer efficacement les signaux RMN. / This thesis work deals with the analysis of natural and synthetic complex mixtures composed of small molecules using HRMAS NMR. In a first part, an integrated HRMAS-NMR based metabolomic analysis in combination with pattern recognition techniques (PCA and O-PLS-DA) has been applied for the diagnosis of indeterminate thyroid lesions and also studied the potential adverse biological effects of aluminium nanoparticles on pseudomonas brassicacearum. In a second part we investigated that chromatographic NMR using silica as the matrix support could provide a quick alternative and complement to LC for the characterization of complex mixtures. In addition, requirement for signal suppression in natural plant extract and aromatic hydrocarbons led to the development of a rapid and accurate method using molecularly imprinted polymers with excellent selectivity. The selectivity of Molecularly Imprinted polymers towards capturing a specific molecular target is exploited here to efficiently remove NMR signals.

L’allergie de contact est une pathologie de la peau particulièrement répandue dans les pays industrialisés. Aucune thérapie ne permet actuellement de la soigner et seule l’éviction de l’allergène permet de la prévenir. Historiquement, l’évaluation du potentiel sensibilisant des molécules mises sur le marché a toujours été réalisée au moyen de tests sur l’animal. Cependant, le champ d’action de ces tests est aujourd’hui limité en raison de la nouvelle législation européenne sur les cosmétiques. Dans ce contexte, le développement de méthodes alternatives ne reposant pas sur l’utilisation d’animaux devient capital. L’allergie de contact repose sur une étape chimique clé : la formation d’un complexe antigénique allergène-protéine capable d’activer le système immunitaire cutané. Le but de ce travail de thèse a été d’étudier le comportement in situ d’allergènes au sein d’épidermes reconstruits de type SkinEthic®. A l’aide d’une technique d’analyse non invasive, la spectroscopie RMN HRMAS, il a été possible de suivre le devenir de différents allergènes, de leur éventuelle activation par voie métabolique, jusqu’à leur fixation sur les protéines épidermiques. / Contact dermatitis is a skin pathology particularly prevalent in industrialized countries. No therapy currently exists and only complete avoidance of the particular allergen can prevent an allergic reaction. Historically, the assessment of skin sensitisation potential of molecules placed on the market was always carried out by animal testing. However, the scope of this testing method is now limited by the new European cosmetics legislation. In this way, the development of alternative methods, not based on animal experimentation, become an important issue. Contact dermatitis results of a chemical key step: the formation of an antigenic complex allergen-protein complexe able to activate the cutaneous immune system. The aim of this PhD work was to study the in situ behaviour of allergens in reconstructed human epidermis (SkinEthic® model). By using an appropriate non-invasive analysis technique, HR-MAS NMR spectroscopy, it has been possible to study the mode of action of different allergens, from their possible activation through the metabolic pathway to the binding with epidermal proteins.