La segmentation d’images médicales est depuis longtemps un sujet de recherche actif. Cette thèse traite des méthodes de segmentation basées modèles, qui sont un bon compromis entre généricité et capacité d’utilisation d’informations a priori sur l’organe cible. Notre but est de construire un algorithme de segmentation pouvant tirer profit d’une grande variété d’informations extérieures telles que des bases de données annotées (via l’apprentissage statistique), d’autres images du même patient (via la co-segmentation) et des interactions de l’utilisateur. Ce travail est basé sur la déformation de modèle implicite, une méthode variationnelle reposant sur une représentation implicite des formes. Après avoir amélioré sa formulation mathématique, nous montrons son potentiel sur des problèmes cliniques difficiles. Nous introduisons ensuite différentes généralisations, indépendantes mais complémentaires, visant à enrichir le modèle de forme et d’apparence utilisé. La diversité des applications cliniques traitées prouve la généricité et l’efficacité de nos contributions. / Within the wide field of medical imaging research, image segmentation is one of the earliest but still open topics. This thesis focuses on model-based segmentation methods, which achieve a good trade-off between genericity and ability to carry prior information on the target organ. Our goal is to build an efficient segmentation framework that is able to leverage all kinds of external information, i.e. annotated databases via statistical learning, other images from the patient via co-segmentation and user input via live interactions. This work is based on the implicit template deformation framework, a variational method relying on an implicit representation of shapes. After improving the mathematical formulation of this approach, we show its potential on challenging clinical problems. Then, we introduce different generalizations, all independent but complementary, aimed at enriching both the shape and appearance model exploited. The diversity of the clinical applications addressed shows the genericity and the effectiveness of our contributions.

La métabolomique propose une approche basée sur l’étude d’une réponse métabolique globale et dynamique d’un organisme à des stimuli biologiques ou à des mutations génétiques et ainsi constitue un outil de recherche translationnel à fort potentiel en oncologie. Nous avons appliqué l’approche métabonomique par RMN à haut champ à l’analyse d’échantillons sanguins issus d’études cliniques coordonnées par le Centre Léon Bérard et pour la cohorte prospective E3N (Etude Epidémiologique auprès de femmes de la MGEN) dans le but d’identifier de marqueurs systémiques du cancer à partir de fluides biologiques humains. Tout d’abord, l’analyse statistique des profils métaboliques de sérums de patientes atteintes d’un cancer du sein a permis de mettre en évidence une signature métabolique discriminant les patients ayant un cancer localisé des patientes métastatiques et de révéler des biomarqueurs associés à la sévérité de ce cancer. D’autre part, cette approche permet des investigations sur les effets de la chimiothérapie. Ainsi, lors de l’étude de sérums de patients atteints d’un cancer du rein métastatique traités par une chimiothérapie expérimentale, une signature métabolique caractéristique de la modification plus rapide du métabolisme de l’hôte a été mise en évidence pour ce traitement en comparaison à deux thérapies conventionnelles. Enfin, l’analyse de plasmas sanguins issus de la cohorte E3N s’intéresse à l’identification de biomarqueurs associés à la survenue du cancer du sein et de son étiologie. Après identification et quantification des sources de variations systématiques impactant les profils métaboliques obtenus, une analyse stratifiée de la cohorte « cas prospectifs »-contrôles est présentée dans cette thèse. / Metabolomics offers an approach based on the study of a comprehensive and dynamic metabolic response of an organism to biological stimuli or genetic mutations and thus constitutes a tool for translational research with a strong potential in oncology. We applied the metabonomic approach by high field NMR for the analysis of blood samples from clinical studies coordinated by the Centre Léon Bérard and for the prospective E3N cohort ( Etude Epidémiologique auprès de femmes de la MGEN ) in order to identify systemic cancer markers from human biological fluids . First, the statistical analysis of metabolic serum profiles from patients with breast cancer has highlighted a metabolic signature discriminating patients with localized cancer and metastatic patients and reveal biomarkers associated with severity of this cancer. Furthermore , this approach allows investigations on the effects of chemotherapy. Thus, during the study of sera from patients with metastatic renal cell carcinoma treated with experimental chemotherapy, a characteristic metabolic signature of faster modification of the host metabolism has been demonstrated for this treatment in comparison to two standard therapies. Finally, analysis of blood plasma from the E3N cohort interests the identification of biomarkers associated with the development of breast cancer and its etiology . After identification and quantification of sources of systematic variations affecting the metabolic profiles obtained, a stratified analysis of the "prospective case "- controls cohort is presented in this thesis.

La relation entre le risque de décès par cancer du poumon et l’exposition au radon est aujourd’hui établie, notamment à partir des études conduites chez les mineurs d’uranium. Mais de nombreuses interrogations persistent sur les risques de cancers extra-pulmonaires et de maladies non-cancéreuses, et sur l'impact sur la santé des autres expositions radiologiques professionnelles. L’objectif général de cette thèse est de contribuer à l’estimation des risques radio-induits aux faibles débits de dose au travers de l'analyse des risques de décès par cancer du rein et par Maladie de l'Appareil Circulatoire (MAC) chez les mineurs d’uranium.Les analyses du risque de décès par cancer du rein ont été réalisées au sein de la cohorte française des mineurs d'uranium (n=5 086 ; période de suivi : 1946-2007), la cohorte post-55 (n=3 377 ; période de suivi : 1957-2007) et la cohorte allemande de la Wismut (n=58 986; période de suivi : 1946-2003) au sein desquelles sont respectivement répertoriés 24, 11 et 174 décès par cancer du rein. L’exposition au radon et à ses descendants à vie courte (exprimée en Working Level Month WLM), aux poussières d’uranium (kBqh.m-3) et aux rayonnements gamma (mSv) a été estimée individuellement et la dose absorbée au rein a été calculée. La relation dose-réponse a été affinée par rapport à l'analyse classique en considérant deux types de réponse : le risque instantané de décès par cancer du rein (analyse classique, Cause-specific Hazard Ratio (CSHR) estimé avec le modèle de Cox) et sa probabilité d'occurrence au cours du suivi (Subdistribution Hazard Ratio (SHR) estimé avec le modèle de Fine & Gray). Un excès de mortalité par cancer du rein était observé dans la cohorte française (SMR = 1,62 IC95%[1,04; 2,41]), mais pas dans la cohorte post-55. Dans la cohorte de la Wismut, un déficit de mortalité par cancer du rein était observé (0,89 [0,78; 0,99]). Pour ces trois populations, aucune relation n'a pu être mise en évidence entre les expositions radiologiques (ou la dose au rein) et le risque de décès par cancer du rein (ex : CSHRWismut_radon/100WLM=1,023 [0,993; 1,053]), ni avec sa probabilité d'occurrence au cours du suivi (ex : SHRWismut_radon /100WLM=1,012 [0,983; 1,042]).L’étude du risque de décès par MAC dans la cohorte française a montré une augmentation significative du risque de décès par MAC (n=442, CSHR/100WLM=1,11 [1,01; 1,22]) et par Maladie CérébroVasculaire (MCeV, n=105, CSHR/100WLM=1,25 [1,09; 1,43]) avec l’exposition au radon. Une enquête cas-témoins nichée au sein de la cohorte a été mise en place pour recueillir dans les dossiers médicaux les facteurs de risque classiques de MAC (surpoids, hypertension, diabète...) pour 313 mineurs (76 décès par MAC (dont 26 par Cardiopathie Ischémique (CI) et 16 par MCeV) et 237 témoins). Pour les trois expositions radiologiques, la relation exposition-risque a été analysée au sein d'une pseudo-cohorte (obtenue en pondérant les observations par l'inverse de la probabilité de sélection, n=1 644 pseudo-individus) avec le modèle de Cox, en ajustant sur les différents facteurs de risque. L’association entre les expositions radiologiques et le risque de décès par MAC, CI ou MCeV n'était pas significative (ex : CSHRMAC_radon/100WLM=1,43 [0,71; 2,87]). La prise en compte des facteurs de risque ne modifiait pas sensiblement cette association.L'absence de relation dose-réponse significative suggère que l'excès de mortalité par cancer du rein chez les mineurs français serait induit par d'autres facteurs, non-disponibles pour cette analyse. La faible variation des coefficients avec l'ajustement sur les facteurs de risque de MAC dans l'enquête cas-témoins nichée soutient l'hypothèse de l'existence d'une augmentation du risque de MCeV dans la cohorte française associée à l’exposition au radon. La poursuite du suivi de la cohorte permettra d'affiner ces résultats. / The relation between lung cancer risk and radon exposure has been clearly established, especially from the studies on uranium miner cohorts. But the association between radon exposure and extrapulmonary cancers and non-cancer diseases remains not well known. Moreover, the health risks associated with the other mining-related ionizing radiation exposures are still under consideration. The aim of this thesis is to contribute to the estimation of the radio-induced health risks at low-doses through the analysis of the kidney cancer and Circulatory System Disease (CSD) mortality risks among uranium miners.Kidney cancer mortality risk analyses were performed from the French cohort of uranium miners (n=5086; follow-up period: 1946-2007), the post-55 cohort (n=3,377; follow-up period: 1957-2007) and the German cohort of the Wismut (n=58,986; follow-up period: 1946-2003) which included 24, 11 and 174 deaths from kidney cancer, respectively. The exposures to radon and its short-lived progeny (expressed in Working Level Month WLM), to uranium ore dust (kBqh.m-3) and to external gamma rays (mSv) were estimated for each miners and the equivalent kidney dose was calculated. The dose-response relation was refined considering two responses: the instantaneous risk of kidney cancer mortality (corresponding to the classical analysis, Cause-specific Hazard Ratio (CSHR) estimated with the Cox model) and its occurrence probability during the follow-up (Subdistribution Hazard Ratio (SHR) estimated with the Fine & Gray model). An excess of kidney cancer mortality was observed only in the French cohort (SMR = 1.62 CI95%[1.04; 2.41]). In the Wismut cohort, a decrease of the kidney cancer mortality was observed (0.89 [0.78; 0.99]). For these three cohorts, the occupational radiological exposures (or the equivalent kidney dose) were significantly associated neither with the risk of kidney cancer mortality (e.g. CSHRWismut_radon/100WLM=1.023 [0.993; 1.053]), nor with its occurrence probability during the follow-up (e.g. SHRWismut_radon /100WLM=1.012 [0.983; 1.042]).CSD mortality risk analyses in the French cohort showed a significant increase of the risks of mortality from CSD (n=442, CSHR/100WLM=1.11 [1.01; 1.22]) and from CerebroVascular Disease (MCeV, n=105, CSHR/100WLM=1.25 [1.09; 1.43]) with radon exposure. A case-control study nested in the French cohort was set up to collect the information related to CSD risk factors (overweight, hypertension, diabetes...) from the medical records of 313 miners (76 deaths from CSD (including 26 from Ischemic Heart Disease (IHD) and 16 from MCeV) and 237 controls). For the three radiological exposures, the exposure-risk relation was analyzed in a pseudo-cohort (n=1,644 pseudo-individuals, obtained from the weighting of the observations by their inverse selection probability) with the Cox model, adjusted for the CSD risk factors. The association between the radiological exposure and the risk of mortality from CSD, IHD or MCeV was not significant (e.g. CSHRCSD_radon/100WLM=1.43 [0.71; 2.87]). The adjustment for CSD risk factors did not substantially change the exposure-risk relation.The lack of a significant dose-response relation suggests that the excess of kidney cancer mortality among the French uranium miners may be induced by other risk factors, unavailable for this study. The small change of the coefficients observed after adjustment for CSD risk factors in the nested case-control study supports the assumption of the existence of the MCeV mortality risk increase associated with radon exposure in the French cohort of uranium miners. Future analyses based on further follow-up updates should allow to confirm or not these results.

La transition épithélio-Mésenchymateuse (TEM) est un processus de plasticité cellulaire qui existe dans le développement embryonnaire et qui permet la formation des tissus et organes. Dans la cancérogénèse, ce processus est réactivé par des facteurs de transcription dont l’action implique très probablement un remodelage de la chromatine. La cartographie exacte de ces changements épigénétiques est peu connue à l’échelle du génome entier, même si il y a eu quelques études antérieures explorant les changements de quelques loci de façon bien ciblée. Ce mémoire traite du remodelage épigénétique médié par le facteur de transcription Twist1 dans un modèle de lignée mammaire immortalisée. L’architecture de ce remodelage a été cartographiée grâce à l’utilisation des techniques de haut-Débit pour analyser la méthylation de l’ADN (DREAM) et les modifications des histones (ChIPseq). Nos résultats montrent un changement majeur du méthylome pendant la TEM avec une hyperméthylation focale et une hypométhylation globale des corps des gènes prédominant au niveau des « domaines partiellement méthylés »; ces domaines sont déjà connus dans le développement pour gagner de façon concomitante à leur hypométhylation des marques d’histone répressives. Nous avons aussi observé un remodelage des domaines de l’histone répressive H3K27me3 avec une réduction de leur taille, et surtout le quasi doublement du nombre de gènes bivalents qui accompagne la transition. Le couplage de la méthylation de l’ADN avec le profil des microRNA nous a permis d’identifier le miR-203 comme l’unique microRNA régulé par méthylation de l’ADN durant la TEM; nous avons aussi montré que l’extinction épigénétique du miR-203 est requise pour la TEM et l’acquistion des propriétés de cellules souches. Enfin, nous avons réalisé une caractérisation génétique et/ou épigénétique de deux cancers rares, les carcinomes fibrolamellaires du foie et les carcinomes du rein à translocation. Pour les carcinomes fibrolamellaires du foie, nous avons décrit la nature endocrine de cette tumeur et établi une signature épigénétique basée sur la méthylation de l’ADN pouvant servir à différencier les formes histologiques appelées « pures » des formes « mixtes ». Pour les cancers du rein à translocation, nous avons montré les bases génétiques et épigénétiques de la différence entre les formes pédiatriques et adultes, avec la découverte fréquente du gain du bras chromosomique 17q dans les formes adultes. Nous avons aussi identifié une mutation récurrente dans le gène qui remodèle la chromatine INO80D appartenant à la famille INO80. En conclusion, ce travail explore le rôle de l’étude de l’épigénome pour comprendre la reprogrammation pendant les processus physiologiques comme la TEM d’une part et le cancer d’autre part. / The epithelial-Mesenchymal transition (EMT) is a process of cellular plasticity that exists in embryonic development and which allows the formation of tissues and organs. In carcinogenesis, the process is reactivated by transcription factors whose action probably involves chromatin remodeling. The exact mapping of these epigenetic changes is poorly understood genome-Wide, although there have been some previous studies exploring changes in so few well-Targeted loci. This thesis deals with the epigenetic remodeling mediated by the transcription factor Twist1 in a model of human mammary immortalized cell line. The architecture of this remodeling has been mapped through the use of high-Throughput techniques to analyze DNA methylation (DREAM) and histone modifications (ChIPseq). Our results suggest a major change in the EMT methylome with focal hypermethylation and gene body hypomethylation predominantly within "partially methylated domains"; these areas are already known in development to gain repressive histone marks concomitantly with DNA hypomethylation. We also observed landscape remodeling of repressive histone mark H3K27me3 with a reduction in domains size, and especially the almost doubling of the number of bivalent genes. The coupling of DNA methylation with the profile of microRNA has allowed us to identify miR-203 as single microRNA regulated by DNA methylation during EMT; we have also shown that epigenetic suppression of miR-203 is both required for EMT and acquisition of stem cell properties. Finally, we performed a genetic and/or epigenetic characterization of two rare cancers, named fibrolamellar hepatocellular carcinomas and translocation renal cell carcinomas. In fibrolamellar hepatocellular carcinoma, we described the endocrine nature of this tumor and established a signature based on DNA methylation which can be used to distinguish histological forms called "pure" from "mixed" fibrolamellar hepatocellular carcinomas. Regarding translocation renal cell carcinomas, we established the genetic and epigenetic basis of differences between pediatric and adult forms, characterized by frequent gain of 17q gain chromosomal arm in adults. We also identified recurrent mutations in the chromatin remodeling gene INO80D which belongs to INO80 family. In conclusion, this work explores the impact of analyzing the epigenome to understand reprogramming during physiological processes such as EMT and cancer.

Le cancer du rein papillaire de type 2 (PRCC2) est un cancer très agressif avec un potentiel métastatique élevé et pour lequel il n’y a pas de traitement efficace. La forme héréditaire de PRCC2 est associée au syndrome rare de la léiomyomatose cutanéo-utérine héréditaire (HLRCC). HLRCC est due à une mutation germinale hétérozygote du gène Fumarate Hydratase (FH) qui code l'enzyme du cycle de Krebs, la Fumarase. Le déficit en fumarase induit l’accumulation de fumarate et active les voies de signalisation du facteur de transcription inductible par l’hypoxie (HIF) et des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Néanmoins, aucune mutation du gène FH n’a été rapportée dans les cas de PRCC2 sporadiques. Le projet de recherche porte sur la caractérisation moléculaire des PRCC2 héréditaires et sporadiques. Notre analyse du transcriptome a identifié des différences entre les signatures moléculaires des PRCC2 héréditaires et sporadiques. Cependant, l’étude d’immunohistochimie n'a pas révélé de biomarqueurs potentiels. Les analyses bio-informatiques de profils d’expression génique ont révélé que les tumeurs PRCC2 héréditaires et sporadiques partagent une dérégulation de la voie principale NRF2/KEAP1. Il a été montré que la surexpression de AKR1B10 (Aldo-Keto Reductase Family 1 Membre B10) est la conséquence directe de l’activation de l'élément de réponse antioxydant (ARE). Finalement, nous avons établi un nouveau modèle in vitro de lignée cellulaire, NCCFH1 (FH-/-), issue d’un patient HLRCC. NCCFH1 représente une plateforme idéale pour les études fonctionnelles, métaboliques et thérapeutiques. Bortézomib pourrait être la meilleure alternative thérapeutique pour les patients avec PRCC2. / Papillary Renal Cell Carcinoma type 2 (PRCC2) is known to be a very aggressive type of kidney cancer with a high metastatic potential, poor outcome and absence of effective therapy. Hereditary form of PRCC2 is associated with rare hereditary leiomyomatosis and renal cell carcinoma (HLRCC). HLRCC is characterized by germline heterozygous mutations in the Fumarate Hydratase (FH) gene that encodes an enzyme of the Krebs cycle, Fumarase. It has been shown that the accumulation of fumarate induces activation of Hypoxia Inducible Factor (HIF) and ROS (Reactive Oxygen Species) pathways. Nevertheless, no FH gene mutation has been reported in sporadic PRCC2 tumors. The goal of this study is to better characterize hereditary and sporadic PRCC2. Our transcriptome analysis identified the set of genes that are differentially expressed between the two types of PRCC2. Subsequent immunohistochemistry screening did not reveal any potential diagnostics biomarkers. Further, the comprehensive computational analysis of gene profiling data revealed that hereditary and sporadic PRCC2 share the similar molecular signature with NRF2-KEAP1 axis deregulation as one of the major pathway in both forms. We demonstrated that over expression of Aldo-keto reductase family 1 member B10 (AKR1B10) is the direct consequence of the antioxidant response element (ARE) activation shared in hereditary and sporadic tumors. Finally, we have established FH-deficient cell line (NCCFH1) a new preclinical model of hereditary PRCC2. It presents the perfect platform for studying the metabolic features and testing new therapies for hereditary PRCC2, while bortezomib appears to be a potential efficient therapeutic option.

Plusieurs expériences et études cliniques ont démontré que l’activation du système rénine-angiotensine (RAS) peut induire l’hypertension, un facteur de risque majeur pour les maladies cardiovasculaires et rénales. L’angiotensinogène (Agt) est l’unique substrat du RAS. Cependant, il n’a pas encore été démontré si l’activation du RAS intrarénal peut à elle seule induire des dommages rénaux, indépendamment de l’hypertension systémique, et ainsi jouer un rôle prépondérant dans la progression de la néphropathie diabétique. Afin d’explorer le rôle du RAS intrarénal dans les dommages rénaux, un diabète a été induit par l’injection de streptozotocin chez des souris transgéniques (Tg) surexprimant l’Agt de rat dans les cellules des tubules proximaux du rein (RPTC). Les souris Tg diabétiques ont été traitées soit avec des inhibiteurs du RAS (perindopril et losartan), de l’insuline ou une combinaison des deux pour 4 semaines avant d’être euthanasiées. Pour une autre étude, des souris Tg non-diabétiques ont été traitées soit avec des inhibiteurs du RAS, l’hydralazine (vasodilatateur) ou l’apocynine (inhibiteur de la NADPH oxydase) pour une période de 8 semaines avant l’euthanasie. Des souris non-Tg ont été utilisées comme contrôles. Des cellules immortalisées de tubule proximal de rat (IRPTC) transfectées de manière stable avec un plasmide contenant l’Agt ou un plasmide contrôle ont été employées comme modèle in vitro. Nos résultats ont démontré que les souris Tg présentaient une augmentation significative de la pression systolique, l’albuminurie, l’apoptose des RPTC et l’expression de gènes pro-apoptotiques par rapport aux souris non-Tg. Les mêmes changements ont été observés chez les souris Tg diabétiques par rapport aux souris non-Tg diabétiques. L’insuline et/ou les inhibiteurs du RAS ont permis d’atténuer ces changements, sauf l’hypertension qui n’était réduite que par les inhibiteurs du RAS. Chez les IRPTC transfectées avec l’Agt in vitro, les hautes concentrations de glucose augmentent l’apoptose et l’activité de la caspase-3 par rapport aux cellules contrôles et l’insuline et/ou les inhibiteurs du RAS empêchent ces augmentations. En plus des changements physiologiques, les RPTC des souris Tg présentent aussi une augmentation significative de la production des espèces réactive de l’oxygène (ROS) et de l’activité de la NADPH oxydase, ainsi qu’une augmentation de l’expression du facteur de croissance transformant-beta 1 (TGF-β1), de l’inhibiteur activateur du plasminogène de type 1 (PAI-1), des protéines de la matrice extracellulaire, du collagène de type IV et de la sousunité p47 de la NADPH oxydase. Le traitement des souris Tg avec l’apocynine et le perindopril a permis d’améliorer tous ces changements, sauf l’hypertension qui n’était pas corrigée par l’apocynine. D’autre part, l’hydralazine a prévenu l’hypertension, sans modifier l’albuminurie, l’apoptose des RPTC ou l’expression des gènes pro-apoptotiques. Ces résultats montrent bien que l’activation du RAS intrarénal et l’hyperglycémie agissent de concert pour induire l’albuminurie et l’apoptose des RPTC, indépendamment de l’hypertension systémique. La génération des ROS via l’activation de la NADPH oxydase induit en partie l’action du RAS intrarénal sur l’apoptose des RPTC, la fibrose tubulo-interstitielle et l’albuminurie chez les souris Tg. D’autre part, une expérience en cours a tenté d’encore mieux délimiter les effets de l’activation du RAS intrarénal, tout en éliminant la néphrotoxicité du STZ. Pour cette étude, les souris Tg surexprimant l’Agt de rat dans leurs RPTC ont été croisées aux souris Ins2Akita, un modèle spontané de diabète de type I, afin de générer des souris Akita-rAgt-Tg. Les résultats préliminaires indiquent que le RAS intrarénal est activé dans les souris Akita et que la combinaison avec l’hyperglycémie induit du stress du réticulum endoplasmique (ER) dans les RPTC in vivo. Le stress du ER contribue à l’apoptose des RPTC observée dans le diabète, à tout le moins dans le modèle Akita. Le traitement avec des inhibiteurs du RAS permet d’atténuer certains des dommanges rénaux observés dans les souris Akita-rAgt-Tg. / Experimental and clinical studies have shown that renin-angiotensin system (RAS)activation may lead to hypertension, a major cardiovascular and renal risk factor. Angiotensinogen (Agt) is the sole substrate of the RAS. However, it is unclear whether intrarenal RAS activation alone could induce kidney injury independently of systemic hypertension and play an important role in the progression of diabetic nephropathy (DN). To explore the role of intrarenal RAS in kidney injury, transgenic (Tg) mice overexpressing rat Agt in their renal proximal tubular cells (RPTCs) were rendered diabetic by streptozotocin (STZ). Diabetic Tg mice were treated with RAS blockers (perindopril and losartan), insulin or a combination of both and then euthanized after 4 weeks of treatment. In a separate study, non-diabetic Tg mice were treated with RAS blockers or hydralazine (a vasodilator) or apocynin (an NADPH oxidase inhibitor) and then euthanized after 8 weeks of treatment. Non-Tg littermates served as controls in both studies. Immortalized rat proximal tubule cells (IRPTCs) stably transfected with Agt cDNA or control plasmid were used in the experiments as an in vitro model. Our results showed that non-diabetic Tg mice displayed a significant increase in systolic blood pressure (SBP), albuminuria, RPTC apoptosis, and proapoptotic gene expression. Diabetic Tg mice had a further increase of albuminuria, RPTC apoptosis, and proapoptotic gene expression, though the SBP of the diabetic Tg mice was similar to that of non-diabetic Tg mice. RAS blockers and/or insulin treatments markedly attenuated these changes, except that insulin had no impact on hypertension. In vitro, high-glucose melieu significantly increased apoptosis and caspase-3 activity in Agt stable transfectants compared to control cells, and these changes were attenuated by insulin and/or RAS blockers. Furthermore, non-diabetic Tg mice showed significantly elevated reactive oxygen species (ROS) production and NADPH oxidase activity, as well as enhanced expression of transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1), plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), extracellular matrix proteins, collagen type IV, and NADPH oxidase subunit p47 in their RPTC. Treatment with apocynin and perindopril ameliorated these changes, but apocynin had no effect on SBP. In contrast, hydralazine prevented hypertension but not albuminuria, RPTC apoptosis, or proapoptotic gene expression. These data indicate that intrarenal RAS activation and hyperglycemia act in concert to induce albuminuria and RPTC apoptosis independent of systemic hypertension. ROS generation via NADPH oxidase activation mediates, at least in part, intrarenal RAS action on RPTC apoptosis, tubulointerstitial fibrosis and albuminuria in Tg mice. On the other hand, in an on-going experiment, to avoid the nephro-toxic effects of STZ and further delineate the effects of intrarenal RAS activation, Tg mice overexpressing rat Agt in their RPTCs were crossbred with Ins2Akita mice, a spontaneous type I diabetes model, to generate Akita-rAgt-Tg mice. Preliminary data indicated that hyperglycaemia and intrarenal RAS activation induced endoplasmic reticulum (ER) stress in RPTC in vivo, and the ER stress pathway contributed to RPTC apoptosis in diabetes, at least in the Akita model. RAS blockade was effective in attenuating some parameters of renal injury in AkitarAgt-Tg mice.

La néphropathie diabétique est une maladie rénale caractérisée par un syndrome néphrotique et de la glomérulosclérose. Celle-ci est reliée à l’angiopathie de capillaires suite au diabète. Il s’agit d’une importante cause d’insuffisance rénale en Amérique. Or, les anomalies tubulaires comme l’apoptose ou le détachement de tubules des glomérules sont reconnues comme étant de bons marqueurs de progression de cette maladie. Ainsi, il a été proposé au cours des travaux reliés à cette thèse d’étudier les différents mécanismes moléculaires reliés à l’apoptose des tubules proximaux, en particulier dans un thème de relation avec les dommages reliés aux espèces réactives oxygénées (ROS). Une des hypothèses développée au cours de précédents travaux faisait état que l’une des sources initiales qui entrainent le développement de dommages tubulaires soit régulée à travers la production de ROS dérivés des NADPH oxydases. Ainsi, une des premières séries d’expériences entreprises au cours de cette thèse a été effectuée sur un modèle animal de diabète de type 2, la souris db/db. Suite à la caractérisation des différentes pathologies rénales et leur réduction par la surexpression de l’enzyme antioxydante catalase dans les tubules proximaux, des expériences de micro-puces d’expression génétiques furent effectuées. À l’aide de cet outil et par des analyses bioinformatiques, il a été possible d’établir un profilage de gènes reliés à différentes voies de signalisation modulées par le diabète et la catalase. Ainsi, il a été possible d’effectuer de plus amples études sur des gènes reliés à l’apoptose surexprimé dans les tubules proximaux de souris diabétiques. Un des gènes pro-apoptotique mieux caractérisé durant cette thèse fut le gène Bmf, un membre de la famille des régulateurs de Bcl-2 impliqués dans l’apoptose via le relâchement de cytochrome c de la mitochondrie. Ainsi, il a été déterminé que ce gène est surexprimé dans les tubules proximaux de souris diabétiques, et que celui-ci était augmenté dans différents modèles in vitro de diabète. Cela a permis de conclure que Bmf joue sans doute un rôle important la régulation de l’apoptose et de l’atrophie des tubules proximaux. Une autre étude effectuée dans le cadre de cette thèse était reliée avec l’utilisation d’un modèle transgénique afin de mieux définir le rôle que jouent les dommages reliés au stress oxydatif dans la progression des pathologies rénales reliées à l’induction du système rénine-angiotensine. Les résultats obtenus ont permis de déterminer que la surexpression de l’enzyme antioxydante catalase a permis de réduire les différentes pathologies rénales observées dans les souris transgéniques, ce qui permet de conclure que les espèces réactives oxygénées jouen un rôle important dans le développement de l’hypertension et des dommages rénaux. / Diabetic nephropathy is a disease characterized by a nephrotic syndrome and glomerulosclerosis. It is related to capillaries angiopathy caused by diabetes. It is one of the main sources of end stage renal disease in America. Tubular anomalies such as apoptosis or tubular detachment from glomeruli are known to be efficient markers for the progression of this disease. Thus, it has been proposed during the work related to this thesis to study the different molecular mechanisms linked with proximal tubules apoptosis, particularly those related with reactive oxygen species (ROS). A previously stated hypothesis made by our laboratory stated that one of the initial sources of the development of tubular damages may be regulated by the production of ROS by NADPH oxidases. Thus, one of the first series of experiments carried during this thesis was done on an animal model of type 2 diabetes, the db/db mouse. Following the characterization of different renal pathologies and their reduction in the proximal tubules by the antioxidant enzyme catalase, experiment with genetics expression microarrays were carried. Using this tool and bioinformatics analysis, it was possible to profile different genes linked to pathways involved by diabetes and the catalase enzyme. Thus, it was possible to carry further studies on these genes linked to apoptosis and overexpressed in the proximal tubules of diabetic mice. One of the pro apoptotic genes characterized in this thesis was the Bmf gene, a member of the family of Bcl-2 regulator, involved in apoptosis related to the release of cytochrome c from the mitochondria. Thus, it was determined that this gene is overexpressed in the proximal tubules of diabetic mice, and that it was also upregulated by in vitro models of diabetes. This enabled our team to conclude that Bmf must play an important role in the regulation of apoptosis and atrophy of the proximal tubules. Another study carried during this thesis was linked with the use of a transgenic animal model to better define the role played by damages related to oxidative stress in the progression of renal pathologies related to renin-angiotensin system activation. The results obtained by this study stated that overexpression of the antioxidant enzyme catalase managed to reduce the different kidney pathologies observed in the transgenic model, which let us conclude that reactive oxygen species have an important role to play in the development of hypertension and kidney damages.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le rein natif et le greffon rénal peuvent être soumis à de multiples agressions conduisant à la détérioration progressive du parenchyme. Ces agressions peuvent être spécifiques (stress toxique, immunologique) et/ou non spécifiques (stress ischémique) et vont engendrer des réponses pouvant entraîner à la fois une diminution de la consommation d’énergie, une augmentation des apports afin de maintenir l’homéostasie tissulaire et la survie mais aussi une réaction inflammatoire et l’apoptose pouvant conduire à la fibrose. Parmi celles-ci, on peut nommer les voies HIF1α, mTOR, le stress du réticulum endoplasmique (RE), l’autophagie, l’activation de l’immunité innée et acquise. La réponse adaptative qui suit le stress du RE, la réponse UPR (Unfolded protein response), est une voie adaptative dont les implications sont actuellement encore peu connues dans le domaine de la pathologie rénale. Celle-ci se compose de trois effecteurs principaux : Perk, Ire1 et ATF6. A l’aide de deux modèles de stress toxique (ciclosporine) et ischémique (carence en glucose) sur deux modèles cellulaires distincts (cellulaires endothéliales artérielles et cellules tubulaires rénales), et dans des modèles in vivo, nous avons montré que le stress du RE était impliqué à la fois dans l’apparition de modifications phénotypiques endothéliales évocatrices de transition endothélio-mésenchymateuse induites par la ciclosporine et à la fois dans l’induction de réponses inflammatoire (régulation de NF-κB par Ire1) et angiogénique (régulation distincte de VEGF, bFGF et angiogénine par Perk et Ire1) induites par la carence en glucose. La réponse UPR semble modulée de façon subtile au cours de ces stress car les trois effecteurs n’engendrent pas des réponses identiques. Ces travaux apportent ainsi une meilleure compréhension des mécanismes d’adaptation au cours de stress variés, montrent que le stress du RE est impliqué dans ces réponses adaptatives et que la réponse peut être différente selon les effecteurs de la réponse UPR. Cette meilleure compréhension pourra permettre de valider des biomarqueurs précoces et des modulateurs de la réponse UPR afin de prévenir la dégradation du parenchyme rénal. / Native and grafted kidneys are stressed by multiple specific or non-specific insults leading to progressive structural deterioration. Responses to these insults are adaptive and preserve cell survival but may also promote inflammation, fibrosis and apoptosis. The most important of these adaptive pathways are HIF1α pathway, mTOR pathway, autophagy, unfolded protein response (UPR). The consequences of the UPR in kidney injuries are not well known. The objective of this study is to delineate the mechanisms and consequences of the activation of the UPR in response to toxic (cyclosporine) and ischemic (glucose starvation) stresses in two distinct cellular models (arterial endothelial cells and renal tubular cells). Here, we showed that UPR was engaged in cyclosporine-induced endothelial phenotypic changes, glucose starvation-induced inflammatory and angiogenic responses: NF-κB regulation by Ire1; distinct VEGF, bFGF and angiogenin regulation by Perk and Ire1. UPR is subtly modulated since its transducers do not induce identical processes. In conclusion these comprehensive works, we demonstrate the UPR is implicated in stress-induced adaptive pathways with different downstream responses according to the effector. Renal tissue degradation could be prevented by discovering and validating early biomarker and UPR modulators.

La voie de signalisation mTOR (mammalian Target Of Rapamycin) joue un rôle central dans la croissance cellulaire, le métabolisme, et l'homéostasie des lymphocytes T (LT). Lors de la transplantation d'organes, l'administration de rapamycine, un inhibiteur de mTOR (mTORi), bloque l'activation des LT et promeut la polarisation des lymphocytes T CD4 régulateur (Treg). En cancérologie, des mTORi sont utilisés pour leur action inhibitrice sur la prolifération et l'angiogenèse tumorales. Cependant l'immunosuppression via l'induction de Treg nécessaire à la prévention du rejet de greffe pourrait être délétère pour la réponse anti-tumorale. Notre hypothèse est que l'efficacité clinique des mTORi serait également dépendante de la modulation de l'immunité adaptative T induite par ces traitements chez les patients atteints de cancer.Au cours de cette thèse, nous avons abordé cette question immunologique dans une cohorte prospective de patients atteints de cancer rénal métastatique (mRCC) traités par évérolimus. L'analyse du taux de Treg et de la réponse spontanée T CD4 Thl anti-tumorale (anti-télomérase TERT) par Elispot-IFN-y a été effectuée au moment de l'inclusion des patients et tous les deux mois après le début du traitement. Nous avons observé chez la majorité des patients une augmentation du taux de Treg après traitement par évérolimus. Ces Treg expriment Hélios, suggérant un phénotype Treg naturel. La fréquence et la qualité de la réponse Thl anti-TERT sont également augmentées suite au traitement. Nous avons montré que conjointement ces deux paramètres immunologiques corrèlent avec l'efficacité clinique du traitement. Les patients présentant précocement une diminution des Treg associée à une augmentation des Thl anti-TERT ont une meilleure survie par rapport aux patients dont les paramètres immunitaires ne variaient pas, ou variaient dans une même direction (13,2 mois vs 8 et 4 mois). De plus, au moment de la progression la plupart des patients perdaient leur réponse Thl anti-TERT, et cet effet était associé à une augmentation des Treg. Les Treg traités par mTORi in vitro inhibent plus fortement la prolifération de LT allogéniques, par un mécanisme contact dépendant. Par l'utilisation d'anticorps monoclonaux déplétant les LT chez la souris et par l'utilisation de souris DEREG, nous avons montré que la présence de Treg in vivo altère l'efficacité anti-tumorale des mTORi, par un mécanisme impliquant l'inhibition des réponses T CD8 anti-tumorales. En conséquence, l'efficacité des mTORi a pu être augmentée par sa combinaison avec des agents bloquant les Treg. En addition, l'administration de temsirolimus améliore l'efficacité anti-tumorale d'un vaccin thérapeutique, en favorisant la différenciation des LT CD8 anti-tumoraux centraux mémoires (CD62L+CD127+) et précurseurs mémoires (CD127+KLRGl'°) induits par la vaccination.En conclusion, ces études ont montré pour la première fois le rôle de l'immunité T anti-tumorale sur l'efficacité clinique des mTORi et soulignent ainsi l'intérêt potentiel de combiner les mTORi avec des immunothérapies anti-tumorales / The mammalian Target of Rapamycin (mTOR) pathway plays a central role in the regulation of cell growth andmetabolism, and is involved in oncogenesis. Everolimus and temsirolimus are two mTOR inhibitors (mTORi) approvedfor renal and breast carcinoma treatments. However, accumulating evidence highlights a central role for mTOR pathwayin T cell immunity. We showed that 21 out of 23 metastatic renal cell carcinoma patients under everolimus treatmenthad an increase of Tregs atter everolimus treatment. Paradoxically, strong antitumor Th 1 responses were detected andthen greatly decreased at the time of disease progression when high expansion of Tregs occurred. Furthermore, weidentified three immune groups based on the early modulation of both Treg and anti-tumor Thl cells and found thatpatients with {low Tregs plus high anti-tumor Thl cells} showed the best survival. In vitro, mTORi-exposed Tregs highlysuppressed T cell proliferation and Thl-associated cytokines production. We showed in vivo that T cells depletiondifferentially modulated the antitumor efficacy of mTORi. Although anti-mTOR effect was loss in B16-OVA-bearingmice lacking CD8 T cells, CD4 T depletion increased mTORi efficacy. The studies conducted in mice demonstratedthat the presence of Tregs in vivo altered the responses to mTORi via a mechanism involving the inhibition of antitumorCD8 T cell responses. Finally the efficacy of mTORi was improved by combination with Tregs depleting agents andvaccines. Altogether, our results describe for the first time a dual impact of host adaptive antitumor T cell immunity onthe clinical effectiveness of mTQRi and prompt their association with immunotherapies.