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Diagnostiquer précocement les maladies est un défi à relever pour améliorer la prise en charge des patients concernés et leur offrir une meilleure qualité de vie. Les analyses 'omiques', qui quantifient globalement, simultanément et sans a priori l'abondance de milliers de molécules dans les liquides biologiques, s'avèrent très prometteuses pour l'identification de biomarqueurs précoces des maladies complexes. Dans ce contexte, mon travail de thèse avait pour objectif de développer des outils de diagnostics, à partir d'analyses du peptidome et métabolome urinaire, pour détecter précocement la présence d'une maladie rénale chronique (MRC) et la survenue de ses complications cardiovasculaires. La première étude, insérée dans le projet européen 4C (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), s'est centrée sur les complications cardiovasculaires associées à la MRC en pédiatrie. Ces complications constituent la principale cause de mortalité des enfants en insuffisance rénale, et leur diagnostic précoce est impossible à ce jour. En analysant par électrophorèse capillaire couplée à la spectrométrie de masse (CE-MS) le peptidome urinaire de 86 enfants souffrant, ou non, de complications cardiovasculaires secondaires à la MRC, nous avons identifié des peptides qui permettent de prédire à l'avance les patients à haut risque cardiovasculaire : 190 peptides étaient associés à l'épaississement de la paroi carotidienne (AUC 0.87, sensibilité 80%, spécificité 100%) et 22 peptides prédisaient l'augmentation de la rigidité artérielle (AUC 0.83, sensibilité 83%, spécificité 70%). Le second projet relevait de la médecine vétérinaire. Dans cette étude menée sur 50 chiens avec et sans MRC, nous avons caractérisé pour la première fois le peptidome urinaire canin via la technologie CE-MS et nous avons découvert 133 peptides urinaires associés à la MRC. Ces derniers ont permis de diagnostiquer la présence d'une MRC dans 80% des chiens. Les métabolites sont mieux corrélés au phénotype que les autres strates moléculaires. Cependant l'apport de la métabolomique en clinique est encore limité, dû au manque de technologies analytiques performantes. Le troisième objectif de ma thèse était donc de mettre au point une procédure de dosage par CE-MS des métabolites urinaires. Grâce à une méthode unique de normalisation interne, basée sur l'utilisation de métabolites endogènes stables, il est maintenant possible d'analyser le contenu en métabolites d'un même échantillon urinaire avec une très haute reproductibilité sur le long terme (4 ans). Comme preuve de concept, nous avons mis en évidence, via cette procédure, la présence d'une combinaison de 32 métabolites dans l'urine qui permet de repérer avec une sensibilité de 76% et une spécificité de 86% les nouveau-nés porteurs d'une malformation rénale obstructive. Enfin, la quatrième problématique s'inscrivait dans une démarche translationnelle. Son but était de développer des aptasenseurs capables de détecter avec de hautes affinités et spécificités les biomarqueurs d'origine omique, pour un diagnostic simple, rapide et à moindre coût. La cible choisie était un fragment urinaire de l'alpha-1-antitrypsine, qui est ~1000 fois plus abondant chez les adultes atteints de MRC que les chez les sains. La sélection de l'aptasenseur s'est faite par le Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Nous présentons ici les travaux préliminaires de la mise au point du SELEX sur cette cible. En conclusion, cette thèse démontre le potentiel de l'analyse du contenu urinaire en peptides et métabolites pour le diagnostic précoce des pathologies complexes telles que la MRC et les complications cardiovasculaires associées. De plus l'obtention d'aptasenseurs dirigés contre ces biomarqueurs précoces et utilisables au chevet du patient devrait révolutionner dans le futur les méthodes diagnostiques. / Early diagnosis of diseases is a big challenge to improve patients' health and quality of life. 'Omics' analyses, which allow the global and simultaneous quantification of the relative abundance of thousands of molecules in biological fluids are promising for the identification of early biomarkers of complex diseases. In this context, the objective of my thesis was to develop diagnostic tools, based on urinary peptidome and metabolome analyses, for the early detection of chronic kidney disease (CKD) and associated cardiovascular complications. The first study, as part of the 4C European project (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), focused on analyzing the cardiovascular complications associated to CKD in children. These complications are the main cause of mortality in children with CKD and their early diagnosis is impossible for now. Analysis of the urinary peptidome of 86 children with or without cardiovascular complications associated to CKD by capillary electrophoresis coupled to mass spectrometry (CE-MS), led to the identification of two sets of peptides for the early prediction of high cardiovascular risk in pediatric patients: 190 peptides were associated to an increase of the carotid intima-media thickness (AUC 0.87, sensitivity 80%, specificity 100%) and 22 peptides were associated to an increase in arterial stiffness (AUC 0.83, sensitivity 83%, specificity 70%). The second study falls in the field of veterinary medicine. In this study, carried out on 50 dogs with or without CKD, we analyzed for the first time the canine urinary peptidome using the CE-MS technology. We identified 133 urinary peptides associated to CKD allowing an accurate diagnosis of CKD in 80% of the dogs. Metabolites correlate best to phenotype compared to other molecular traits. However, the use of metabolomics for identification of clinically relevant biomarkers is very limited due to the lack of high-performance analytical technologies. The third part of my thesis was to develop a procedure for the quantification of urinary metabolites by CE-MS. Using a unique method of internal normalization based on endogenous and stable metabolites, we can now analyze the metabolite content of the same urine sample with a high reproducibility over the long-term (4 years). As a proof-of-concept, we demonstrated that this developed procedure led to the identification of a set of 32 urinary metabolites that allow the early identification of newborns with an obstructive kidney anomaly with a sensitivity of 76% and a specificity of 86%. Finally, the fourth study was dedicated to improving translational research. The aim was to develop aptasensors able to detect 'omics'-identified biomarkers with a high affinity and specificity to obtain a simple, rapid and low-cost diagnostic test. The biomarker chosen as target is a urinary fragment of alpha-1-antitrypsin, which is ~1000 more abundant in adults with CKD compared to healthy subjects. Aptasensors were selected by the Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Here we present preliminary work on the development of the SELEX for our target. In conclusion, this thesis shows the strength of the urinary content, in terms of peptides and metabolites, for the early diagnosis of complex pathologies like CKD and the associated cardiovascular complications. Moreover, the selection of aptasensors targeting these early biomarkers and that can be used at bedside, will revolutionize future diagnostic methods.

La maladie de Wilson est une atteinte génétique rare associée à des mutations du gène codant pour l’ATP7B, protéine de transport et d’excrétion du cuivre dans l’organisme, entrainant une accumulation toxique de cuivre dans l’organisme au niveau du foie et du cerveau. La difficulté d’établir une corrélation génotype-phénotype et la grande hétérogénéité du tableau clinique conduisent à des difficultés de prise en charge, notamment concernant le diagnostic et le suivi biologique et thérapeutique des patients. Dans cette étude, nous avons orienté nos recherches vers la découverte et l’évaluation de candidats biomarqueurs de diagnostics et de pronostics précoce de l’évolution vers des formes neurologiques de la maladie. L’accessibilité au modèle préclinique murin Atp7b-/- nous a permis d’engager une étude préclinique permettant dans un premier temps d’optimiser la partie expérimentale pour l’identification la plus fiable de nouveaux candidats biomarqueurs plasmatiques. Cette étude a permis l’identification d’un panel de 7 candidats biomarqueurs. Ces résultats nous ont permis de susciter l’intérêt des équipes médicales du Centre National de Référence Wilson (CNR) à Lyon et à Paris et d’engager une étroite collaboration pour débuter l’étude clinique. L’obtention d’une première cohorte d’échantillons plasmatiques provenant de patients atteints de la maladie de Wilson a permis d’évaluer la valeur translationnelle et clinique des candidats biomarqueurs identifiés et de débuter l’étude clinique d’exploration du protéome plasmatique de patients atteints de la maladie de Wilson. En outre, la compréhension des mécanismes moléculaires associés au développement de la physiopathologie hépatique a été étudiée et a permis de mettre en évidence de nouvelles cibles pour, à terme, améliorer la prise en charge clinique des patients atteints de la maladie de Wilson. / Wilson’s disease is a rare genetic disorder triggered by mutations in the ATP7B gene, which encodes a transport protein involved in copper transport and excretion, triggering toxic copper overloads in the liver and the brain. The lack of genotype-phenotype correlation and phenotype variability lead to clinical care difficulties, especially for the diagnosis and biological follow up of patients. In this study, we initiated the discovery and evaluation of biomarker candidates for the diagnosis of Wilson’s disease and for early prognosis towards neurological manifestation. With the availability of the Atp7b-/- mice model, we engaged a preclinical study leading to the qualification of a panel of 7 biomarker candidates. These results allowed us to raise the interest of the National Reference Center for Wilson’s disease (CNR) medical teams in Lyon and Paris and to engage a close collaboration to initiate clinical study. Using a first plasma cohort from Wilson’s disease patients, we assessed the translational and clinical value of the 7 biomarker candidates and engage discovery study on patients’ plasma samples. Furthermore, we also studied the molecular mechanisms involved in liver pathophysiology using the Atp7b-/- mice model using discovery proteomics. These investigations led to the identification of a new potential therapeutic target.

Dans la pratique courante, la posologie des anticancéreux est le plus souvent normalisée parrapport à la surface corporelle du patient (parfois son poids). Cependant, cette adaptation de dose neprend pas en compte la variabilité interindividuelle pharmacologique du médicament. Les facteursmodulant cette dernière sont nombreux, dont notamment les capacités individuelles de métabolisme etd’élimination. A dose égale, l’exposition systémique du patient peut donc varier, et entraîner un risquede surdosage pour certains patients, avec la survenue de toxicités, ou de sous-dosage pour d’autres,associée à une limitation de l’efficacité thérapeutique. Des alternatives à l’utilisation de la surfacecorporelle ont donc été proposées afin de prendre en compte de façon plus importante la variabilitéinterindividuelle des patients, tel que le suivi thérapeutique pharmacologique ou lapharmacogénétique. Les polymorphismes des gènes codants pour des enzymes impliquées dans lemétabolisme ou le transport des cytotoxiques peuvent modifier leur activité et donc influer sur lapharmacocinétique d’un médicament donné. Le développement des connaissances dans ces domainespourrait permettre la mise en place, de façon progressive, de nouvelles méthodes d’ajustement de laposologie.Ce projet de thèse porte sur l’individualisation de la posologie des anticancéreux ens’intéressant aussi bien aux chimiothérapies cytotoxiques, avec pour modèle l’irinotecan, qu’auxthérapies ciblées, en distinguant dans cette même classe les inhibiteurs de tyrosine kinase et lesanticorps monoclonaux (modèle du bévacizumab). Afin d’optimiser l’index thérapeutique de cestraitements, l’adaptation de la posologie a été abordée selon le profil pharmacogénétique maiségalement selon le profil pharmacocinétique.Une étude clinique a été mise en place afin d’évaluer, en terme de toxicité et d’efficacité,l’intérêt d’une adaptation de posologie de l’irinotécan dans le cadre d’une polychimiothérapie dans letraitement du cancer colorectal (FOLFIRI +/- bévacizumab ou cétuximab), en se basant sur unpolymorphisme génétique de l’UGT1A1, enzyme impliquée dans son métabolisme. Les résultats del’étude intermédiaire de cet essai de phase II, mené chez 16 patients, sont en faveur de la poursuite del’étude avec 12,5% de toxicités hématologiques de grade 4 et un taux de réponse objective de 58,3 %.L’objectif secondaire a été l’étude de la pharmacocinétique de l’irinotécan et de ses métabolites lorsd’une des cures de chimiothérapie. Ces dosages ont été réalisés par chromatographie liquide couplée àla spectrométrie de masse. Cette technique, largement utilisée pour la quantification plasmatique desmédicaments, a été développée et validée selon les normes en vigueur. Le dosage du bévacizumab, unanticorps monoclonal associé au FOLFIRI dans le traitement du cancer colorectal, a lui aussi étédéveloppé par cette technique et a fait l’objet d’un travail de mise au point avec l’identification despeptides spécifiques, ainsi que l’optimisation des étapes de prétraitement de l’échantillon et de latechnique analytique.En parallèle, la mise en place du dosage des inhibiteurs de tyrosine kinase par spectrométrie demasse, ainsi que sa validation, ont fait partie de ce travail de thèse, et autorisent son utilisation enroutine hospitalière dans le cadre du suivi thérapeutique pharmacologique.Mots-clés : suivi thérapeutique pharmacologique, pharmacogénétique, irinotécan, chromatographie / Usually, the dosage of anticancer is normalized with used to the patient's body surface area(sometimes its weight). However, this adaptation does not take into account the interindividualpharmacological variability in the pharmacokinetics of the drug. Factors modulating thispharmacokinetics are numerous, including interindividual capacities of metabolism and elimination.At the same dosage, the systemic exposure of the patient can thus be changed, and cause a risk ofoverdosing for some patients, with the development of toxicities, or under dosing for others, withlimiting the therapeutic efficacy. Alternatives to the use of the body surface area have been proposedin order to more take account of inter-individual variability of patients, such as therapeutic drugmonitoring or pharmacogenetics. Genetic polymorphisms of enzymes involved in the metabolism ortransport of a cytotoxic, can change and modify their activity, and impact on drug’s metabolism. Thedevelopment of knowledge in these areas could allow the establishment of new methods to dosage’sadjustment.This PhD project focuses on individualizing dosage of anticancer focusing in both cytotoxicchemotherapies with the model of irinotecan, as targeted therapies, distinguishing in this same classtyrosine kinase inhibitors and monoclonal antibodies (bevacizumab model). To optimize thetherapeutic index of these therapies, the dose adjustment was according to pharmacogenetics profile,but also according to the pharmacokinetics profile.A clinical study was developed to studying, in terms of toxicity and efficacy, the interest ofadapting dosage of irinotecan in combination of chemotherapy to traitement of metastatic colorectalcancer (FOLFIRI +/- bevacizumab or cetuximab), based on a genetic polymorphism of UGT1A1, anenzyme involved in its metabolism. Results of the interim study of this phase II trial, conducted in 16patients, are in favor of study continuation with 12.5% grade 4 hematological toxicities, and objectiveresponse rate of 58.3%. The secondary objective was to study the pharmacokinetics of irinotecan andits metabolites during one cycle. These assays were performed by liquid chromatography-massspectrometry. This technique, widely used for quantification of drug in plasma was developed andvalidated according to standards. The dosage of bevacizumab, a monoclonal antibody used tocolorectal cancer treatment (associated to FOLFIRI) was also developed by this technique, withspecific peptide identification, and optimization of sample preparation and analytical technique.In parallel, the implementation of the determination of tyrosine kinase inhibitors by massspectrometry and its validation were part of this PhD project, and allow its use in hospital routine intherapeutic drug monitoring.

La détermination de la masse nucléaire permet d'accéder à l'énergie de liaison donc au bilan de toutes les forces agissant dans le noyau. L'exploration de la structure nucléaire requiert la mesure des masses loin de la stabilité. Néanmoins la production des ions radioactifs est peu sélective et l'ion d'intérêt est souvent noyé dans un fond de contaminants isobariques. Ces dernières années, l'utilisation des pièges à ions linéaires et du refroidissement par gaz tampon a été fortement développée permettant la mesure de masse des noyaux exotiques avec une grande précision. Cette thèse porte sur le développement innovant d'un piège de Paul circulaire, "le cirque d'ions". Sa géométrie lui permet de confiner les ions sur un grand nombre de tours. Ainsi, ils peuvent être refroidis avec une pression de gaz tampon de l'ordre de 10-4 mbar. Par ailleurs, il est capable de trier en masse les ions piégés et refroidis avec un pouvoir de résolution suffisant pour séparer des isobares. Nous avons réalisé et testé le premier prototype de ce spectromètre à Orsay. Cette thèse étudie également les prédictions des masses par les différents modèles théoriques, en les comparant avec l'approche microscopique HFB-17. Actuellement, la masse des noyaux très exotiques peut seulement être prédite. L'étude de l'énergie de séparation de deux neutrons avec HFB-17 met en évidence des zones d'instabilité numérique. Afin de l'améliorer, nous avons apporté une correction aux énergies de déformation calculées par ce modèle, en utilisant comme référence les masses des chaînes isotopiques 143-146Xe et 223-229Rn que nous avons mesurées avec le spectromètre ISOLTRAP au CERN.

La gravure plasma de structures à fort rapport d'aspect dans le silicium est une étape clé dans la fabrication de microsystèmes et de composants de microélectronique de puissance. L'objectif de ce travail est de développer un procédé de gravure profonde du silicium, qui fonctionne à plus haute température de substrat que le procédé cryogénique en chimie plasma SF6/O2 et qui présente une meilleure stabilité en température et en concentration de gaz passivant(s). Dans ce but, de nouvelles voies de passivation non polymérisante ont été explorées. Nous avons évalué les possibilités de passivation par l'apport de SO2 en remplacement de O2. A température cryogénique, les propriétés de gravure sont semblables en plasma SF6/SO2 et SF6/O2 ; elles sont corrélées aux densités de neutres mesurées par spectrométrie de masse et actinométrie. La majeure partie des recherches a été consacrée à l'étude de la molécule SiCl4 comme précurseur de passivation. Nous avons au préalable analysé les interactions entre espèces générées en plasma SF6/SiCl4. Les expériences de caractérisation du plasma montrent que les réactions aux parois entre atomes F et espèces SiClx contrôlent la chimie du plasma et donc les propriétés de gravure du silicium. En mélange SF6/O2/SiCl4, ces réactions influent également sur la vitesse de gravure du substrat, mais l'ajout de SiCl4 à SF6/O2 a surtout pour effet de favoriser l'attaque chimique latérale. Nous avons finalement étudié la possibilité de former une couche de passivation par plasma SiCl4/O2 à température de substrat de -20 °C. Les résultats de cette étude permettent de proposer un nouveau procédé, basé sur l'alternance d'étapes de gravure par plasma SF6 et d'étapes de passivation par plasma SiCl4/O2.

Avec la miniaturisation des composants CMOS, l'utilisation du polysilicium comme matériau de grille est aujourd'hui remise en cause. L'insertion d'une couche métallique entre le diélectrique de grille et le polysilicium est alors indispensable mais nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma pour la gravure des métaux W et WN dans un empilement polysilicium/TiN/W(WN)/high-k (matériau à haute permittivité diélectrique). <br />La première étape a donc consisté à caractériser les matériaux de départ en distinguant la caractérisation avant et après intégration dans l'empilement de grille. Les différences révélées à travers cette première étude ont imposé deux stratégies de gravure différentes. Nous proposons une solution en gravant le WN en Cl2/O2 et le W en Cl2/O2/NF3. Cette solution permet une gravure verticale du métal sans dégrader l'intégralité de la grille et le diélectrique sous-jacent.<br />Le deuxième volet de ce travail a consisté à comprendre de manière approfondie les mécanismes de gravure du W et du WN dans les chimies à base de Cl2/O2. Les aspects étudiés sont les interactions plasma/surface, la composition des plasmas de type Cl2/O2, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés et l'état de surface des parois du réacteur.

L'entrée en vigueur de la Convention d'Interdiction des Armes Chimiques depuis 1997 et l'augmentation de la menace terroriste nécessitent le développement de méthodes d'analyse permettant d'identifier des agents de guerre chimique. Le couplage électrophorèse capillaire-spectrométrie de masse (CE-MS) présente des propriétés intéressantes pour l'analyse de composés chargés ou très polaires tels que les produits de dégradation d'agents neurotoxiques (acides alkyl alkylphosphoniques spécifiques et acides alkylphosphoniques non-spécifiques). Le développement d'une méthode CE-MS pour l'analyse d'un mélange constitué d'acides alkyl alkylphosphoniques et alkylphosphoniques comportant des composés isomères, a permis d'évaluer la sélectivité et les capacités d'identification du couplage CE-MS. Les expériences CE-MS-MS se sont avérées particulièrement efficaces pour identifier des acides alkyl alkylphosphoniques isomères non séparés en CE, tandis que la séparation par CE est indispensable pour différencier des acides alkylphosphoniques isomères indiscernables en MS-MS. Deux méthodes de préconcentration électrophorétique en ligne ont ensuite été développées pour améliorer la sensibilité de détection. La préconcentration par amplification du champ électrique (FASS) a ainsi permis d'améliorer la sensibilité d'un facteur 10 dans des matrices environnementales de faible conductivité (eau potable et eau de rivière). Des limites de détection des acides alkyl alkylphosphoniques comprises entre 0,25 et 0,50 µg.mL-1 ont été atteintes. La préconcentration par isotachophorèse transitoire (tITP) a ensuite été développée pour améliorer la sensibilité de détection d'acides alkyl méthylphosphoniques contenus dans des matrices de forte conductivité (extrait de sol et urine de rat) en CE-MS. La méthode tITP-CZE-MS a ainsi permis d'améliorer la sensibilité d'un facteur 40 environ et d'atteindre des limites de détection des acides alkyl méthylphosphoniques contenus dans un extrait de sol et de l'urine de rat comprises entre 9 et 220 ng.mL-1.

Si la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse est un outil de bioanalyse largement utilisé pour la quantification des molécules de faible poids moléculaire dans les fluides biologiques, il n'en est pas de même pour les macromolécules. Au cours de ce travail, nous avons exploré les possibilités et les difficultés d'une méthode d'extraction par immunoaffinité couplée de la spectrométrie de masse pour la quantification des protéines recombinantes et des biomarqueurs. Cette stratégie a tout d'abord été appliquée à une petite protéine thérapeutique, Epi-hNE4, un inhibiteur de l'élastase humaine et pour lequel nous avons obtenu une sensibilité de 80 pM. Cette méthode a également été appliquée à un anticorps thérapeutique utilisé pour le traitement du cancer colorectal, Cetuximab, pour lequel une sensibilité de130 pM a été obtenue grâce à une extraction par l'EGFR, sa cible biologique. Ce dernier développement offre des perspectives pour évaluer l'immunogénecité des protéines thérapeutiques. La méthode de référence est la technique ELISA, que nous avons appliquée à la détection d'anticorps anti-Epi-hNE4, mais les difficultés rencontrées suggèrent que la spectrométrie de masse serait une alternative interessante. Enfin, une dernière application de la spectrométrie de masse pour la quantification multiplexée des biomarqueurs a été menée sur les apelines, une famille de peptides de 12 à 36 acides aminés jouant un rôle crucial dans le système cardiovasculaire. Une limite de détection de l'ordre de 25 pM a été atteinte, et de façon interessante, cette méthode nous a permis de conclure à l'absence des formes supposées circulantes.

Les composés organiques volatils (COV) jouent un rôle central dans la pollution atmosphérique photochimique. Le suivi de ces produits dans l'air est devenu une nécessité, en raison de leur nocivité. Actuellement, les méthodes classiques d'analyse de l'air présentent certains inconvénients. Les instruments sont trop spécifiques ou bien la technique consiste à piéger les polluants et retourner ensuite l'échantillon au laboratoire pour l'analyse. La thèse a pour thème la mise au point d'une technique analytique in situ, offrant de nouvelles perspectives pour l'analyse de l'air. L'analyseur transportable développé résulte du couplage d'un thermodésorbeur (m-TD), d'un micro-chromatographe (m-CG) et d'un spectromètre de masse (SM). L'instrument permet, en quelques minutes, de conduire l'analyse qualitative et quantitative d'une très large gamme de COV à l'état de traces. Un exemple d'application de l'analyseur sur site concerne la caractérisation dans le temps d'atmosphères de travail.