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

La maladie rénale chronique (MRC) est caractérisée par une fréquence élevée de complications cardiovasculaires (CV). La rigidité artérielle est un marqueur de la maladie CV, corrélé avec la morbi-mortalité des patients en dialyse chronique. Notre équipe a déjà observé que des modifications structurelles et fonctionnelles des gros troncs artériels apparaissent néanmoins dès les stades précoces de la MRC.Le suivi prospectif d’une large cohorte de patients insuffisants rénaux non dialysés, nous a permis de démontrer que le remodelage artériel s’accentue avec la progression de la MRC, avec notamment une augmentation de la rigidité carotidienne, une diminution de l’épaisseur intima-média, une augmentation du diamètre interne de la carotide et du stress circomférentiel. Notre étude prospective a permis de montrer que le stress circonférentiel est prédictif de la vitesse de dégradation de la fonction rénale, même après ajustement sur les autres facteurs de risque CV et de progression de la MRC. Nous avons également étudié la morbi-mortalité globale et CV en fonction des paramètres artériels mesurés lors de l’inclusion. Après analyse multivariée, il apparaît que la rigidité aortique est corrélée au risque de décès ou de survenue d’un événement CV, alors que le diamètre interne de la carotide est associé à la mortalité globale, même après ajustement sur les facteurs CV classiques. La transplantation rénale permet une amélioration du pronostic CV des patients insuffisants rénaux. Nos études, réalisées sur 2 cohortes prospectives de patients transplantés rénaux ont permis d’objectiver une nette amélioration de la rigidité aortique dans les mois qui suivent la greffe. Nous démontrons par ailleurs que le remodelage artériel est également réversible, avec diminution du diamètre interne, augmentation de l’épaisseur intima-média et correction partielle du stress circonférentiel au niveau de la carotide interne. Cette réversibilité de la rigidité est particulièrement importante chez les receveurs bénéficiant d’une transplantation avec un donneur jeune, et ceci indépendamment du degré d’amélioration la fonction rénale observée dans la période post-greffe.Elle est aussi beaucoup plus marquée chez les patients recevant un greffon rénal provenant d’un donneur vivant.La qualité du greffon, déterminée par l’âge du donneur ou son origine (donneur vivant vs donneur décédé) est donc capitale pour prédire l’amélioration des paramètres artériels chez le receveur et indirectement son pronostic CV à moyen terme. / Chronic Kidney Disease (CKD) is associated with frequent cardiovascular complications. Arterialstiffness is a marker of cardiovascular (CV) disease and is associated with mortality in patients with end-stagerenal disease (ESRD). Our group has previously suggested that a maladaptative arterial remodeling occurs earlyduring CKD, even in patients with mild kidney dysfunction. Our first prospective study was based on a large CKD cohort. Our data confirm that the large arteries modifications, which include increase of carotid stiffness, decrease of intima-media thickness, carotid arterydilatation with enhancement of circumferential wall stress (CWS), worsen during CKD progression. We also showthat initial CWS is associated with the rate of kidney function deterioration, even after adjustment for other CV andCKD risk factors. In addition, we found that aortic stiffness was associated with both the overall survival and therisk of cardiovascular events. The internal carotid diameter is predictive of the overall mortality, after multivariateanalysis. Kidney transplantation reduces the CV risk of ESRD patients. Our 2 prospective studies demonstratethat aortic stiffness can improve during the first year after transplantation. The maladaptative arterial remodelingcan also reverse after transplantation, with a significant reduction of the carotide diameter, an increase of theintima-media thickness and a partial correction of the CWS. The improvement of the aortic stiffness and thereversal of this maladaptative arterial remodeling is particularily important in patients receiving a kidney allograftform a young allograft donor, independently of the post-transplant renal function. The kidney recipients with aliving donor experience a major improvement of their arterial parameters when compared with recipients withdeceased donors, and this difference remains significant after adjustment for other confounding factors. Inconclusion, the quality of the kidney allograft (age and source) may play an important role in the cardiovascularoutcome of the recipient. This advantage could be mediated a beneficial effect of transplantation on centralarteries structure and function.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a group of diseases characterized by avascular obstruction leading to a progressive increase of the resistances in the pulmonary blood flow. The recent progress in the understanding of mechanisms at the origin of this disease underlines the role of extrapulmonary cells, such as circulating stem cells and bone marrow-derived progenitor cells in vascular remodeling and in PAH development. In this thesis we have shown implication of the progenitor cells and chemotactic axis in the vascular remodeling in human and experimental PAH. This work could help to develop new therapies allowing more specific and more effective treatments leading to improved survival of PAH patients.

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

L’hypertension pulmonaire (HP) est définie par une élévation de la pression artérielle pulmonaire moyenne (PAPm) au-delà de 25 mm de mercure (Hg) au repos en raison de l’augmentation progressive et soutenue des résistances vasculaires pulmonaires, menant à l'insuffisance cardiaque droite. La dysfonction endothéliale pulmonaire associée à l'HTAP est maintenant considérée comme un mécanisme pathogénique clé qui pourrait être préjudiciable à la fois pour la susceptibilité et le développement du remodelage vasculaire pulmonaire. Au niveau des cellules endothéliales (CE), la fixation du facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF), un des plus anciens médiateurs immunologiques connus, sur le CD74 va initier une cascade de signalisation intracellulaire clef pour la prolifération, la survie cellulaire et la production de différents facteurs inflammatoires. C’est pourquoi, ces travaux de doctorat ont visés à : 1) Etudier l’importance de la voie MIF/CD74 dans l'acquisition/maintien d’un phénotype pro-inflammatoire des CE pulmonaires dans l'HTAP ; 2) Tester l’efficacité de nouveaux antagonistes de MIF, synthétisés et brevetés par la société MIFCARE, contre ce phénotype endothélial et le développement d’HP expérimentales.Nos données mettent en lumière le rôle critique de la voie MIF/CD74 pour le phénotype aberrant des CE pulmonaires HTAP et soulignent son importance comme nouvelle cible thérapeutique prometteuse pour lutter contre le remodelage vasculaire pulmonaire. Cette meilleure compréhension du rôle de la voie MIF/CD74 dans le phénotype endothélial aberrant, nous a permis l’identification d’une nouvelle molécule à forte affinité, administrable par voie orale, capable de ralentir la progression d’HP expérimentales (brevet européen en soumission). Cependant, des études plus poussées, en cours de réalisation, sont encore nécessaires avant de pouvoir transférer ces connaissances vers une utilisation clinique de ces nouveaux candidats « médicaments ». / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a severe progressive cardiopulmonary disorder characterized by vascular proliferation and remodeling of the small pulmonary arteries. These can lead to a progressive increase in pulmonary vascular resistance and ultimately to right ventricular failure and death. Pulmonary endothelial dysfunction and pro-inflammatory phenotype associated with PAH are now considered as a key pathogenic mechanism that could be detrimental to both the susceptibility and development of the pulmonary vascular remodeling.In pulmonary endothelial cells (EC), the binding of the immune mediator MIF (Macrophage Migration Inhibitory Factor), to its receptor CD74 initiates an intracellular signaling cascade leading to cell proliferation, cell survival and the secretion of various inflammatory mediators. Therefore, the present work seeks to: (1) Determine the importance of the MIF/CD74 signaling pathway in the acquisition of an abnormal pro-inflammatory EC phenotype in PAH; (2) Test the efficacies of MIF inhibitors, synthesized and patented by MIFCARE, on this abnormal pro-inflammatory EC phenotype and on the development of experimental pulmonary hypertension (PH).Our data highlight the critical role of the MIF/CD74 axis in the endothelial dysfunction and pro-inflammatory phenotype of pulmonary EC in PAH. In addition, our data emphasize its importance as a promising new therapeutic target to prevent the pulmonary vascular remodeling associated to this disorder. Furthermore, we were successful in identifying an agent from a novel class of MIF antagonists optimized for in vivo use that have the ability to partially reverse established PH in rats and to partially inhibit the pro-inflammatory EC phenotype observed in PAH.Collectively, we demonstrated the importance of the MIF/CD74 axis and that its inhibition with MIF antagonist agents could represent a promising strategy for the treatment of PAH (under patent). However, further studies are still needed before transferring this knowledge to clinical use of these new candidates.

ALK1 est un récepteur de la famille du TGF-β, principalement exprimé dans les cellules endothéliales. Le ligand physiologique et circulant d'ALK1, BMP9, a été découvert par notre laboratoire en 2007, ce qui a ouvert des possibilités d'étude de la fonction d'ALK1. La première partie de ma thèse a été consacrée à l'analyse fonctionnelle de mutants d'ALK1, retrouvés sur des patients atteints de la maladie de Rendu-Osler de type 2, en réponse à BMP9. Cette étude a permis de : 1) proposer l'haploinsuffisance fonctionnelle comme modèle de la maladie ; 2) développer un test diagnostique pour discriminer les mutations pathogènes des polymorphismes rares, basé sur leur réponse à BMP9 ; 3) d'avoir une meilleure connaissance des acides aminés d'ALK1 importants dans la réponse à BMP9. Un second travail a consisté en la production de la forme mature de BMP9 et du domaine extracellulaire d'ALK1 en vue de l'étude de la structure cristallographique du complexe. L'expression des protéines et leur purification sont en phase d'optimisation. Enfin, un troisième projet consistait en l'analyse du rôle de BMP9 dans l'angiogenèse in vivo. La neutralisation de BMP9 par deux stratégies distinctes induit une augmentation de la densité vasculaire dans la rétine de la souris. Le mécanisme est en cours d'investigation.

L'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est caractérisée par une atteinte progressive et chronique des vaisseaux pulmonaires entraînant une augmentation des résistances vasculaires pulmonaires. Mes travaux de doctorat ont eu pour but de comprendre l'implication des progéniteurs vasculaires dans le remodelage et dans la néomuscularisation des vaisseaux pulmonaires, caractéristique de l'HTAP. Une nouvelle population de cellules progénitrices positives pour le marqueur PW1, récemment identifiée dans les tissus adultes, a la capacité de se différencier en cellules musculaires lisses (CMLs). Notre hypothèse a donc été que cette population progénitrice pourrait être recrutée, se différencierait en CMLs et participerait ainsi au remodelage vasculaire au cours de l'HTAP. Nous avons mis en évidence la présence de trois populations progénitrices PW1+ dans le poumon de souris, capables de se différencier en CMLs vasculaires. Les cellules PW1+ sont résidentes et sont mobilisées dans 2 modèles d'HTAP; leur recrutement est précoce, dès 4j d'hypoxie chronique chez la souris ; le nombre de cellules PW1+ est augmenté chez le rat traité à la monocrotaline. Des résultats préliminaires suggèrent une implication des macrophages et de la voie CXCR4 dans ce recrutement des progéniteurs PW1+. Chez le patient HTAP, les cellules PW1+ sont très nombreuses dans les lésions artérielles et nous avons commencé à les isoler par FACS. Cette meilleure compréhension des mécanismes de mobilisation des progéniteurs vasculaires permet d'identifier des pistes thérapeutiques potentielles, et d'encourager à poursuivre les recherches sur ce versant cellulaire encore peu exploité dans cette maladie. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by vascular remodeling and neomuscularization. PW1+ progenitor cells were identified in various adult tissues and can differentiate in smooth muscle cells (SMC) in vitro. Our hypothesis was that PW1+ progenitor cells are recruited to participate in the vascular remodeling during PAH. PW1+ cells are localized in the lung parenchyma and in the perivascular zone in rodent and human lungs. Three resident myogenic PW1+ populations were identified in the mouse lung. After 4 days of CH, two of these PW1+ populations were significantly increased. The number of pulmonary proliferating PW1+ cells and the proportion of vessel-associated SMC derived from PW1+ cells were also significantly increased, attesting a recruitment and a differentiation of PW1+ cells into pulmonary vascular SMC during early chronic hypoxia-induced neomuscularization. Moreover, in the MCT-injected rat lungs, a severe PH model, the number of PW1+ cells was also increased. Preliminary data suggest that macrophages and CXCR4 axis are involved in the mobilization of PW1+ progenitor cells. In the human PAH lung, PW1+ cells were observed in remodeled vascular structures and seem increased as compared to control lung. A better understanding of vascular progenitor cells mobilization mechanisms will help determining the pathological pathways involved in the disease and identifying new potential therapeutic avenues.

Résumé français manquant / Résumé anglais manquant

L'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare caractérisée par une augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne liée à un important remodelage de la paroi vasculaire obstruant progressivement les petites artères pulmonaires. Le récepteur NMDA (NMDAR) est un récepteur au glutamate jouant un rôle crucial dans la transmission synaptique neuronale. Il est aussi présent dans des cellules périphériques, notamment les cellules vasculaires aortiques et cérébrales, et participe à leur prolifération. De plus, le NMDAR contribue à la prolifération des cellules cancéreuses. Puisque dans l'HTAP, les cellules vasculaires pulmonaires présentent un phénotype cancer-like, hyperprolifératif et résistant à l'apoptose, nous avons émis l'hypothèse selon laquelle les NMDARs vasculaires pulmonaires pourraient contribuer au remodelage vasculaire et conduire à l'HTAP. Nous avons montré que les cellules vasculaires pulmonaires expriment physiologiquement les principaux éléments d'une communication glutamatergique fonctionnelle via le NMDAR. Dans l'HTAP, le glutamate s'accumule dans les vaisseaux remodelés et l'endothéline-1, un acteur majeur du remodelage vasculaire, induit la libération du glutamate par les cellules musculaires lisses. Le NMDAR est mobilisé dans les cellules vasculaires et sa fonction pourrait être altérée en raison d'un déséquilibre dans le ratio d'expression de ses sous-unités. L'activation du NMDAR contribue à la prolifération des cellules vasculaires pulmonaires et à l'angiogenèse, éléments clés de la physiopathologie de l'HTAP. Des études réalisées sur des souris n'exprimant pas les NMDARs vasculaires ou utilisant des antagonistes du NMDAR mettent en évidence le rôle du NMDAR dans l'hypertension pulmonaire expérimentale. Ces résultats suggèrent que le NMDAR est un nouvel acteur du remodelage vasculaire et qu'il représente une nouvelle cible thérapeutique de l'HTAP. Ils apportent également de nouveaux éléments alimentant l'analogie entre le système vasculaire et le système nerveux. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease characterized by an increase in the mean pulmonary arterial pressure, due to a deep vascular remodeling leading to the progressive obstruction of the small pulmonary arteries. The NMDA receptor (NMDAR) is a glutamate receptor playing a crucial role in the neuronal synaptic communication. It is also present in peripheral cells, including aortic and cerebral vascular cells, and promotes their proliferation. Moreover, NMDAR contributes to proliferation of cancer cells. As pulmonary vascular cells exhibit a cancer-like hyperproliferative and apoptotic-resistant phenotype in PAH, we hypothesized that the activation of pulmonary vascular NMDARs may contribute to the vascular remodeling leading to PAH. We found that pulmonary vascular cells express the main features of a functional synaptic-like glutamatergic communication through NMDARs. In PAH, glutamate accumulates in pulmonary arteries, and endothelin-1, a major actor of the PAH-associated vascular remodeling, triggers glutamate release from smooth muscle cells. Furthermore, the NMDAR is mobilized and its function may be altered due to an unbalanced expression ratio of the NMDAR subunits. Moreover, NMDAR activation contributes to vascular cell proliferation and angiogenesis, key features of PAH pathophysiology. Finally, studies with NMDAR antagonists and vascular NMDAR-knockout mice showed that vascular NMDARs are involved in pulmonary hypertension. These results suggest that NMDAR is a new actor of the vascular remodeling and could represent a new therapeutic target in PAH. They also bring new pieces to the vascular/nervous parallels.

La grossesse est un état physiologique particulier où de nombreux changements fonctionnels et structuraux surviennent. Chez la rate, pour répondre aux besoins grandissants du fœtus, l’artère utérine se développe pour atteindre le double de son diamètre original avant parturition. Par conséquent, le débit sanguin utérin augmente d’environ vingt fois. Pour ce faire, les vaisseaux utérins sont l’objet d’un remodelage caractérisé par une hypertrophie et une hyperplasie des différentes composantes de la paroi. De plus, ce remodelage est complètement réversible après la parturition, par opposition au remodelage vasculaire « pathologique » qui affecte les artères systémiques, dans l’hypertension chronique, par exemple. La grossesse s’accompagne aussi de modifications hormonales importantes, comme les œstrogènes dont la concentration s’accroît progressivement au cours de cette période. Elle atteindra une concentration trois cents fois plus élevée avant terme que chez une femme non gravide. Cette hormone possède de multiples fonctions, ainsi qu’un mode d’action à la fois génomique et non génomique. Considérant l’ensemble de ces éléments, nous avons formulé l’hypothèse que l’œstradiol serait responsable de modifier la circulation utérine durant la grossesse, par son action vasorelaxante, mais aussi en influençant le remodelage de la vasculature utérine. Nous avons montré que le 17β-Estradiol (17β-E2) produit une relaxation due à un effet non génomique des artères utérines en agissant directement sur le muscle lisse par un mécanisme indépendant du monoxyde d’azote et des récepteurs classiques aux œstrogènes (ERα, ERβ). De plus, la relaxation induite par le 17β-E2 dans l’artère utérine durant la gestation est réduite par rapport à celle des artères des rates non gestantes. Ceci serait attribuable à une diminution de monoxyde d’azote provenant de la synthase de NO neuronale dans les muscles lisses des artères utérines. Nos résultats démontrent que le récepteur à l’œstrogène couplé aux protéines G (GPER), la protéine kinase A (PKA) et la protéine kinase G (PKG) ne sont pas impliqués dans la signalisation intracellulaire associée à l’effet vasorelaxant induit par le 17β-E2. Cependant, nous avons montré une implication probable des canaux potassiques sensibles au voltage, ainsi qu’un rôle possible des canaux potassiques de grande conductance activés par le potentiel et le calcium (BKCa). En effet, le penitrem A, un antagoniste présumé des canaux potassiques à grande conductance, réduit la réponse vasoralaxante du 17β-E2. Toutefois, une autre action du penitrem A n’est pas exclue, car l’ibériotoxine, reconnue pour inhiber les mêmes canaux, n’a pas d’effet sur cette relaxation. Quoi qu’il en soit, d’autres études sont nécessaires pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la relaxation non génomique sur le muscle lisse des artères utérines. Quant à l’implication de l’œstrogène sur le remodelage des artères utérines durant la gestation, nous avons tenté d’inhiber la synthèse d’œstrogènes durant la gestation en utilisant un inhibiteur de l’aromatase. Plusieurs paramètres ont été évalués (paramètres sanguins, réactivité vasculaire, pression artérielle) sans changements significatifs entre le groupe contrôle et celui traité avec l’inhibiteur. Le même constat a été fait pour le dosage plasmatique de l’œstradiol, ce qui suggère l’inefficacité du blocage de l’aromatase dans ces expériences. Ainsi, notre protocole expérimental n’a pas réussi à inhiber la synthèse d’œstrogène durant la grossesse chez le rat et, ce faisant, nous n’avons pas pu vérifier notre hypothèse. En conclusion, nous avons démontré que le 17β-E2 agit de façon non génomique sur les muscles lisses des artères utérines qui implique une action sur les canaux potassiques de la membrane cellulaire. Toutefois, notre protocole expérimental n’a pas été en mesure d’évaluer les effets génomiques associés au remodelage vasculaire utérin durant la gestation et d’autres études devront être effectuées. / Pregnancy is a peculiar physiological state in which many structural and functional changes occur. In rats, to meet the growing needs of the fetus, uterine artery expands to reach twice its original diameter before parturition. Therefore, uterine blood flow increases by about twenty times. To do this, the uterine vessels undergo substantial remodelling characterized by hypertrophy and hyperplasia of the various components of the wall. Furthermore, this remodelling is completely reversible after parturition, as opposed to “pathological vascular remodelling” that affects systemic arteries in chronic hypertension, for instance. Pregnancy is also accompanied by significant hormonal changes, such as estrogens whose concentration in the blood increases progressively during this period. It reaches concentrations three hundred times higher before term than in non-pregnant women. This hormone has multiple functions and mediates its effects by genomic and non-genomic pathways. Considering these elements, we hypothesized that estradiol would be responsible for remodeling the uterine circulation during pregnancy, by its vasorelaxant action, but also by influencing the remodeling of the uterine vasculature. We have shown that 17β-Estradiol (17β-E2) produced non-genomic relaxation of uterine arteries by acting directly on smooth muscle using a mechanism independent of nitric oxide and classical estrogen receptors (ERα, ERβ). Moreover, the relaxation induced by 17β-E2 in the uterine artery during pregnancy is reduced compared to that of arteries from non-pregnant animals. This is the result of decrease of nitric oxide derived from neuronal NO synthase in smooth muscle of uterine arteries. Our results also show that the estrogen receptor coupled to G proteins (GPER), protein kinase A (PKA) and protein kinase G (PKG) are NOT involved in intracellular signaling associated with the vasorelaxant effect induced by the 17β-E2. Moreover, we have shown a possible involvement of potassium channels sensitive to voltage and a possible involvement of large conductance calcium-activated potassium channels (BKCa). Indeed, the penitrem A, a suspected antagonist of BKCa, reduced the vasoralaxant responses of 17β-E2. However, some other actions of penitrem A are not excluded because iberiotoxin, known to inhibit the same channels, had no effect on this relaxation. However, further studies are needed to obtain a better understanding of the mechanisms involved in the relaxation non-genomics on the smooth muscle of uterine arteries. As for the involvement of estrogen on the remodeling of uterine arteries during pregnancy, we attempted to inhibit the synthesis of estrogen during pregnancy using an aromatase inhibitor. Several parameters were evaluated (plasma values, vascular reactivity, blood pressure) without significant changes between the control group and those treated with the inhibitor. The same observation was made for the determination of plasma estradiol, suggesting the uneffectiveness of aromatase blocking in these experiments. Thus, our experimental protocol failed to inhibit the synthesis of estrogen in rats during pregnancy and, in so doing, we cannot confirm or refute our hypothesis. In conclusion, we demonstrated that 17β-E2 acts on smooth muscle of the uterine arteries by a non-genomic pathway by apparently acting on potassium channels. However, our experimental protocol was not able to assess the genomic effects associated with uterine vascular remodeling during pregnancy and further studies are required to ascertain this aspect of our work.