L’identification de biomarqueurs demeure un véritable défi pour les sciences analytiques et un enjeu majeur pour la recherche clinique. Les glycosaminoglycanes (GAGs) ont été identifiés comme biomarqueurs potentiels de mucopolysaccharidoses (MPS), maladies génétiques rares et très souvent mortelles. Ces pathologies sont dues à une déficience en une des enzymes impliquées dans le catabolisme des GAGs. Le défaut enzymatique conduit à une accumulation de GAGs partiellement dégradés, et entraîne une neurodégénérescence pour les formes sévères de la pathologie. Les GAGs sont des polysaccharides polyanioniques complexes impliqués dans de nombreux processus physiologiques chez les mammifères. Leur étude demeure difficile en raison de leur hétérogénéité structurale, de leur faible biodisponibilité et du manque d'outils dédiés à leur analyse. Notre objectif a été de détecter et de quantifier ces composés à partir de fluides biologiques tels que l’urine et le liquide céphalo-rachidien, puis d’en élucider la structure par spectrométrie de masse. L’étude s’est focalisée sur la caractérisation d’oligosaccharides de type héparane sulfate (HS), biomarqueurs spécifiques de MPS à composante neurologique (MPS de type I, IIIB et IIIC) et responsables des atteintes du système nerveux central. Une stratégie expérimentale permettant l’extraction d’oligosaccharides de HS issus de fluides biologiques a été développée. Ainsi, la structure d’oligosaccharides sulfatés de HS urinaires, candidats biomarqueurs de MPS IIIB et IIIC, a pu être identifiée. Ces composés pourraient s’avérer utiles pour le diagnostic et le suivi de patients, notamment lors d’essais thérapeutiques. Des expériences in vitro d’exposition de différents types cellulaires du cerveau ont été menées afin d’établir la relation entre la structure des oligosaccharides accumulés et leurs effets neuropathologiques. Elles ont permis de mettre en évidence des processus cellulaires qui pourraient impliqués dans la neurodégénérescence et constituer de nouvelles cibles thérapeutiques. / The identification of biomarkers remains one of the main challenges for analytical sciences and a major stake for clinical research. Glycosaminoglycans (GAGs) have been identified as potential biomarkers of mucopolysaccharidoses (MPS) belonging to rare genetic diseases with often a deadly issue. These pathologies are due to a deficiency in one of the enzymes responsible for GAGs catabolism. This enzymatic defect results in the accumulation of partially catabolized GAGs in organism and leads to neurodegeneration for the most severe forms of the disease. GAGs are complex polyanionic polysaccharides involved in numerous physiological processes in mammals. Their study remains a challenging task because of their high structural heterogeneity and their low biodisponibility, besides the lack of dedicated analytical tools. Our aim was to detect and quantify these compounds in biologic fluids such as urine and cerebrospinal fluid, and to elucidate their structures by mass spectrometry. This study focused on heparan sulfate (HS) oligosaccharides, as potential biomarkers of MPS featured by neurological manifestations (MPS I, IIIB and IIIC), and possibly responsible of lesions in the central nervous system. An experimental strategy allowing the extraction of HS oligosaccharides from biological fluids was implemented, thereby the structures of urinary heparan sulfate oligosaccharides were deciphered, leading to possible biomarkers candidates of MPS IIIB and IIIC. These compounds could be useful for diagnostic and patient follow-up that are currently lacking for the monitoring of therapeutic assays. In vitro exposition of different cerebral cell types to HS oligosaccharides was carried out to establish the relation between the structure of oligosaccharides and neuropathological effects. These studies highlighted several cellular processes that could be involved in neurodegeneration and constitute new therapeutic targets.

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

Les méthodes pour le diagnostic des infections à mycobactéries sont restées pratiquement inchangées pendant des décennies et n'auraient probablement pas progressé sans la réémergence inattendue de la tuberculose (TB) au cours des vingt dernières années du 20ème siècle. Le diagnostic de laboratoire de la tuberculose pulmonaire repose principalement sur la détection des organismes du complexe Mycobacterium tuberculosis (MTC) dans les prélèvements respiratoires par leur isolement et identification ou par les méthodes moléculaires. Pour les patients qui n’expectorent pas, des échantillons du tractus respiratoire peuvent être obtenus par des procédures invasives. En nous basant sur la survie connue de MTC dans le liquide gastrique, nous avons considéré que les MTC devraient également être détectables dans les selles. Nous avons recherché des MTC en parallèle dans des échantillons de tractus respiratoire et dans les selles récoltés des mêmes patients. Mycobacterium tuberculosis a été détecté après décontamination à la chlorhexidine dans des cultures sur des milieux à base d'œuf et par l'examen direct microscopique après coloration de Ziehl-Neelsen. Après la mise au point d’une technique originale d’extraction de l’ADN total à partir des selles, nous avons utilisé la détection de M. tuberculosis par PCR en temps réel en duplex utilisant le gène IS6110 comme cible moléculaire et un contrôle interne de présence d’inhibiteurs de la PCR. Ces travaux mettent en évidence l’intérêt et la sensibilité de l’analyse des selles pour le diagnostic de la tuberculose pulmonaire. Cette technique est aujourd’hui utilisée dans notre laboratoire en routine et est en cours d’évaluation par d’autres équipes.Actuellement, l'identification des mycobactéries basée sur l’analyse des caractéristiques biochimiques (test à l’uréase, test de la nitrate réductase, test de la résistance à la pyrazinamide (pza), test de la sensibilité, test de la résistance à la thiophen-2-carboxylic acid hydrazide (TCH) etc …) est le plus souvent remplacée par des méthodes de biologie moléculaire dont l’amplification par PCR d'un gène spécifique. Ces méthodes sont laborieuses et peuvent exiger un degré d'expertise élevé. Afin de simplifier l'identification précise des isolats de mycobactéries en laboratoire de routine, après avoir vérifié l’inactivation des MTC par la chaleur et l’éthanol pour pouvoir travailler hors du laboratoire P3, nous avons mis au point les conditions pour l'utilisation de la spectrométrie de masse « matrix-assisted laser desorption and ionisation-time-of-flight» (MALDI-TOF-MS) en association avec un logiciel bioinformatique spécifique, comme outil d’identification et de différenciation entre les membres du complexe MTC, du complexe Mycobacterium avium et les autres mycobactéries non-tuberculeuses. Nous avons ensuite appliqué cette technique afin d’identifier les mycobactéries à partir du milieu liquide Middlebrook 7H10 utilisé dans une étuve automatisée. L’identification des mycobactéries isolées dans notre laboratoire, est maintenant réalisée en routine par MALDI-TOF-MS. L’ensemble de ces travaux contribue à améliorer le diagnostic de routine de la tuberculose pulmonaire et les techniques mises au point sont utilisées en routine dans notre laboratoire, en particulier dans le cadre d’un « kit tuberculose ». / The diagnosis of mycobacterial infections remained practically unchanged during numerous decades and would not probably have progressed of the whole without the unexpected re-emergence of the tuberculosis (TB) during the last twenty years of the 20th century.The diagnosis of laboratory of pulmonary tuberculosis is mainly based on the detection of microorganisms of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTC) in the respiratory specimens. For the patients who do not expectorate, samples of the respiratory tract can be only obtained according to invasive procedures. Based on the survival known for MTC organisms in the gastric liquid, we considered that MTC organisms would be detectable also in samples of stools. We compared the presence of bodies MTC in samples of respiratory tract and the specimens of stools collected from the same patients. MTC was detected in cultures on egg-based media after appropriate decontamination using the chlorhexidine and by the microscopic examination after Ziehl-Neelsen staining. After the set on of an original protocol of the total DNA extraction from stools, we were able to use by the detection with the real-time PCR of IS6110 using internal controls as PCR inhibitor control. This protocol illustrate the utility of stool analysis for the diagnosis of pulmonary tuberculosis, this technique is actually used in routine in our laboratory, it is also under investigation by other research teams.Phenotypic identification of mycobacteria based on the analysis of biochemical pattern (urase test, nitrate reductase test, resistance to pyrazinamide (pza) test, susceptibility to thiophen-2-carboxylic acid hydrazide (TCH) test, etc …) is more often replaced by molecular methods using DNA, including the development by PCR of a specific gene. These methods are generally laborious and can require a considerable degree of expertise. To simplify the identification specifies isolates of mycobacteria routinely in the laboratory, we estimated the use of the mass spectrometry "matrix-assisted laser desorption and ionization-time-of-flight" (MALDI-TOF MS) in association with a specific bioIT software, was capable of identifying and of distinguishing between the members of Mycobacterium tuberculosis complex, Mycobacterium avium complex and the non- tuberculosis mycobacteria. We verified the MTC inactivation by heating or by ethanol allowing the analysis of the inactivated MTC out of the P3 laboratory; we studied the cost-effectiveness of this method from the blood solid media by extrapolating this approach in the emergent countries. We then applied the same method to identify mycobacteria from Middlebrook 7H10 liquid media used in an automated oven. Identification of cultured Mycobacteria is now done in routine in our laboratory by MALDI-TOF-MS. These data contribute in improving the routine diagnosis of pulmonary tuberculosis and this protocol is then used routinely in our laboratory, particularly with the “kit de tuberculose” we set on.

Les moisissures d’altération sont à l’origine de pertes alimentaires et économiques importantes et certaines espèces peuvent présenter un danger pour la santé humaine et animale avec la production de mycotoxines. Dans ce contexte, la maîtrise de la qualité et de la sécurité des aliments passe par une bonne connaissance des espèces impliquées. Cette connaissance repose sur une identification fiable et rapide et l’obtention d’informations sur les facteurs abiotiques impactant leur développement, tels que les conservateurs, largement utilisés dans l’industrie. Dans ce cadre, les objectifs de thèse étaient de développer l’utilisation de la spectrométrie de masse MALDI-TOF pour l’identification des moisissures et d’évaluer son application à la résolution de complexe d’espèces et au typage, et enfin d’évaluer la néphélométrie laser pour mesurer en haut-débit leur croissance en présence de conservateurs. Dans un premier temps, une base de données robuste a été construite avec près de 6500 spectres correspondant à 136 espèces fongiques. Dans un deuxième temps, la technique MALDI-TOF a été appliquée avec succès à la différenciation de 23 espèces du complexe Aspergillus section Flavi et a permis de différencier des isolats de Penicillium roqueforti appartenant à 3 populations génétiquement différenciées. Enfin, la néphélométrie laser a permis un suivi haut-débit de la croissance de 14 espèces fongiques d’altération en présence de 3 conservateurs et ainsi d’obtenir des informations sur les concentrations minimales inhibitrices de ces derniers. Ces travaux ont démontré l’applicabilité de techniques alternatives permettant d’identifier et de caractériser les moisissures d’altération. / Spoilage fungi represent a major cause of food and economic losses and certain species, which may produce mycotoxins, may also pose a threat to human and animal health. Thus, food safety and quality management relies notably on a good knowledge of the involved species. This knowledge is notably based on their fast and reliable identification and on the study of abiotic factors affecting their growth such as food preservatives, which are commonly used in the food industry. In this context, the objectives of this PhD. thesis were to develop MALDI-TOF mass spectrometry for mold identification and to evaluate its potential for species complex differentiation and strain typing, and finally, to evaluate the use of laser nephelometry to monitor fungal growth in the presence of food preservatives.First, a robust database was developed with 6500 spectra corresponding to 136 spoilage fungi. Then, MALDI-TOF MS was successfully applied to differentiate 23 species of Aspergillus section Flavi and Penicillium roqueforti isolates belonging to 3 genetically distinct populations.Finally, in 14 fungal species, laser nephelometry allowed a high-throughput monitoring of their growth after exposition to 3 different food preservatives and the determination of their associated minimal inhibitory concentrations.Overall, the obtained results demonstrate the usefulness of alternative techniques for identification and characterization of food spoilage fungi.

Les peptides vecteurs ou CPP sont de petits peptides, en général de taille inférieure à 30 acides aminés. Parmi les nombreux CPP décrits dans la littérature, les peptides riches en arginine ont fait l'objet d'une attention particulière. Plusieurs modifications chimiques du squelette peptidique conduisant à une distribution spatiale différente des groupes fonctionnels, ou encore l'introduction de chaînes aliphatiques ont été effectuées pour accroitre la capacité du peptide à traverser la membrane de la cellule. L'objectif de ce travail a été le développement de nouveaux peptides vecteurs cycliques contenant un domaine cationique minimal et pouvant être acylés par une chaîne aliphatique. Quinze nouveaux transporteurs cycliques, dont les peptides vecteurs classiques Pénétratine et R6W3ont été synthétisés. La cyclisation tête-queue par ligation chimique native a été rendue possible par l'introduction d'un résidu cystéine et d'une fonction thioester (ou précurseur) respectivement aux extrémités N et C-terminales des différentes séquences de CPP. Leur aptitude à transporter le peptide bioactif PKCi dans des cellules CHO a été évaluée par quantification de la cargaison internalisée en utilisant la spectrométrie de masse MALDI-TOF. Les résultats indiquent une meilleure internalisation essentiellement par voie d'endocytose dépendante des glycosaminoglycanes, suite à la cyclisation des CPP comparés à leur version linéaire. De toute la série des lipopeptides testés dans ce projet, deux séquences se distinguent par leur capacité remarquable à franchir les membranes cellulaire : les CPP [C12-R4] et [C12-R7]. / Cell-penetrating peptides (CPPs) are short, cationic or amphipatic peptides, usually containing less than 30 amino acids, which are able to deliver various bioactive cargoes inside cells. Among the many CPPs described in the literature, the arginine-rich peptides have attracted particular attention. Several chemical modifications of the peptide backbone leading to different spatial distributions of the CPP functional groups, or the introduction of aliphatic chains have been made to enhance their internalization efficiency. The aim of this work was the synthesis of new cyclic CPPs containing a minimal cationic domain and their functionalisation with an aliphatic chain. We have synthesised a small library of fifteen new cyclic carriers including the classical CPPs Penetratin and R6W3 using native chemical ligation (NCL) in solution. The introduction of an N-terminal Cys residue and of a C-terminal thioester (or precursor) in the initial linear peptide sequence allowed the head-to-tail cyclisation. The efficiency of cargo delivery in CHO cells was measured by MALDI-TOF mass spectrometry. We found that cyclisation of CPPs improved their internalisation efficiency mostly by glycosaminoglycan-dependent endocytosis. Among the whole series of lipopeptides tested in this project, two sequences are distinguished by their remarkable ability to cross cellular membranes: the peptides [C12-R4] and [C12-R7].

Les canalopathies cardiaques congénitales constituent la principale hypothèse diagnostique dans les cas de mort subite inexpliquée chez les sujets de moins de 35 ans. Notre travail a eu pour objectif demettre au point une stratégie de détection post-mortem des mutations sur les gènes connus pour être impliqués dans les canalopathies cardiaques, applicable en routine, à partir de la principale source d'ADN post-mortem disponible en France à savoir les prélèvements fixés au formol et inclus en paraffine (FFIP). A partir d'une cohorte de 12 cas, deux techniques de détection de variants génétiques ont été évaluées, une technique de criblage par l'analyse des courbes de fusion haute résolution et une technique de génotypage par spectrométrie de masse MALDI-TOF, respectivement sur le gène KCNQ1 et le gène RyR2. Quelle que soit la technique utilisée, il n'est pas possible de s'affranchir du séquençage de type Sanger afin d'explorer les séquences d'intérêts qui n'ont pu être optimisées avec l'une ou l'autre des méthodes à la fois sur les prélèvements congelés et FFIP. L'arrivée des séquenceurs de nouvelles générations ouvrent ainsi de nouvelles perspectives dans ce domaine.

Les canalopathies cardiaques congénitales constituent la principale hypothèse diagnostique dans les cas de mort subite inexpliquée chez les sujets de moins de 35 ans. Notre travail a eu pour objectif demettre au point une stratégie de détection post-mortem des mutations sur les gènes connus pour être impliqués dans les canalopathies cardiaques, applicable en routine, à partir de la principale source d’ADN post-mortem disponible en France à savoir les prélèvements fixés au formol et inclus en paraffine (FFIP). A partir d’une cohorte de 12 cas, deux techniques de détection de variants génétiques ont été évaluées, une technique de criblage par l’analyse des courbes de fusion haute résolution et une technique de génotypage par spectrométrie de masse MALDI-TOF, respectivement sur le gène KCNQ1 et le gène RyR2. Quelle que soit la technique utilisée, il n’est pas possible de s’affranchir du séquençage de type Sanger afin d’explorer les séquences d’intérêts qui n’ont pu être optimisées avec l’une ou l’autre des méthodes à la fois sur les prélèvements congelés et FFIP. L’arrivée des séquenceurs de nouvelles générations ouvrent ainsi de nouvelles perspectives dans ce domaine. / The congenital cardiac channelopathies constitute the principal diagnostic hypothesis in autopsynegative sudden unexplained death concerning people younger than 35 years old. The present study aimed to develop a strategy of mutations detection on known genes implicated in the cardiac channelopathies. This strategy of mutations detection had to be applicable to routine and has been studied on formalin-fixed and paraffin-embedded (FFPE) tissues which are the principal DNA source available in France. On a cohort of 12 cases, two technique of sequence variants detection wereevaluated: the screening method of High Resolution Melt and the genotyping method based on a MALDI-TOF mass spectrometry, respectively on KCNQ1 and RyR2 genes. Whatever the technique, there is a necessity of resorting to the Sanger sequencing to explore the sequence of interest none optimized with one or the other technology both on FFEP and frozen tissues. That’s why the next generation sequencing method should open new perspectives in the post-mortem diagnostic of cardiac channelopathies.

L'objectif de cette thèse est d'appliquer la méthode d'identification bactérienne par spectrométrie de masse MALDI-TOF pour une utilisation en routine dans un laboratoire de microbiologie clinique. Dans un 1er temps et de manière prospective, nous avons évalué la performance et le coût-efficacité de l'identification bactérienne de routine par MALDI-TOF par rapport aux techniques conventionnelles d'identification phénotypique. Durant la période des 16 semaines d'étude, nous avons comparé la performance de la technique par MALDI-TOF aux techniques conventionnelles d'identification phénotypique comprenant la coloration de Gram, la galerie API ANA et le Vitek 2. En cas de résultats discordants entre ces deux techniques, l'identification était réalisée par biologie moléculaire. Nous avons montré que le MALDI-TOF est un moyen efficace et rentable pour l'identification des bactéries de routine. Le MALDI-TOF peut être utilisée en 1ère intention dans l'identification bactérienne avant l'ensemble de techniques phénotypiques. Dans un 2ème temps, nous avons évalué rétrospectivement la performance et le coût-efficacité de l'utilisation exclusive de MALDI-TOF en diagnostic bactériologique de routine en comparaison avec les techniques conventionnelles. En analysant les données des 11 dernières années, nous avons montré que le MALDI-TOF est efficace et tout à fait adaptée pour l'identification d'espèce bactérienne en routine. Nous avons également prouvé que MALDI-TOF est un outil puissant pour identifier les espèces bactériennes rarement impliquées dans les infections humaines. Cette technique pourrait être une alternative aux méthodes moléculaires dans le laboratoire clinique. / The objective of this thesis is to apply the method of bacterial identification by MALDI-TOF MS in daily practice in a routine clinical microbiological laboratory. Firstly, we prospectively evaluated the performance and the cost-effective of bacterial identification by MALDI-TOF in comparison with conventional phenotypic identification methods. During a 16-week study, we compared the performance of MALDI-TOF with conventional techniques of identification including Gram staining, API ANA identification strip and automated identification using the Vitek 2. The unmatched identifications between MALDI-TOF and conventional methods were resolved by molecular identification. In this study, we showed that MALDI-TOF was an effective tool and less expensive for the rapid identification of bacterial species in clinical microbiology laboratory. MALDI-TOF can be used in first intention for identification before Gram staining or other phenotypic identification techniques based on physicochemical properties of bacteria. Secondly, we retrospectively evaluated the performance and the cost-effectiveness of the exclusive use of MALDI-TOF in bacteriological diagnosis in comparison with conventional phenotypic identification. 11-year retrospective analysis of data showed that MALDI-TOF was efficient and completely adapted for the routine identification of bacterial species. We also showed that MALDI-TOF had capacity to identify bacterial species that were rarely involved in human diseases. This technique could be an alternative to molecular methods in the clinical laboratory.