La spectroscopie RMN in vivo pondérée en diffusion est sensible au mouvement des métabolites cérébraux (glutamate, créatine, choline, NAA, myo- inositol, taurine...), permettant de mesurer leur coefficient de diffusion apparent (CDA). Ces métabolites étant exclusivement intracellulaires, leur CDA dépend seulement du milieu intracellulaire, en particulier de la viscosité du cytosol, de la densité des structures intracellulaires, et de la forme et taille des cellules. En général, le CDA des métabolites est mesuré pour un temps de diffusion Td de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes, leur laissant le temps de parcourir quelques micromètres et d’interagir plusieurs fois avec des structures intracellulaires. Le CDA dépend alors potentiellement de tous les paramètres intracellulaires cités plus haut, et ce de manière mal définie. Cette thèse présente de nouvelles méthodes de spectroscopie dans le cerveau de rongeur pour mesurer le CDA pour des Td allant de 0.2 millisecondes jusqu’à 2 secondes. Un premier jeu de mesures a été exploité par la modélisation pour extraire des paramètres clés de la morphologie des cellules du cerveau. La sensibilité des méthodes développées, en cas de variation pathologique de la morphologie des cellules, a ensuite été étudiée grâce à des souris injectées avec un facteur neurotrophique, le CNTF (ciliary neurtrophic factor). Certaines de leurs cellules, les astrocytes, deviennent massivement hypertrophiques, et les propriétés de diffusion de certains métabolites y sont sensibles. Enfin l’application à un modèle souris de la maladie de Huntington (transgénique), est présentée. / In vivo diffusion-weighted NMR spectroscopy is sensitive to the motion of cerebral metabolites (glutamate, creatine, choline, NAA, myo-inositol, taurine…), allowing the measurement of their apparent diffusion coefficient (ADC). Since these metabolites are purely intracellular, their ADC only depends on the intracellular medium, in particular cytosol viscosity, density of intracellular structures, and the shape and size of cells. In general, metabolite ADC is measured for a single diffusion time Td, equal to a few dozens milliseconds, leaving them time to explore a few micrometers and to interact repeatedly with intracellular structures. Their ADC then potentially depends on all intracellular parameters mentioned above, in a poorly defined way. This thesis presents new spectroscopy methods in the rodent brain to measure ADC over an unprecedented range of Td, from approximately 0.2 milliseconds up to 2 seconds. A first set of measurements has been modeled to extract key morphological brain cell parameters. The sensitivity of these methods to morphological changes in brain cell morphology has first been studied on mice injected with CNTF (ciliary neurotrophic factor), that causes a strong hypertrophy of a specific cell type, astrocytes. Diffusion properties of some metabolites are indeed sensitive to this massive cell morphological change. The last part presents the application to a transgenic mouse model of Huntington’s disease.

Des ligands supramoléculaires bidentates P,N hydrosolubles ont été élaborés parauto-assemblage de différentes mono-amino-β-cyclodextrines et d'une phosphinehydrosoluble appropriée. La capacité de ces super-structures à coordiner un métal aété évaluée sur le platine et le rhodium. Les complexes organométalliques ainsiformés ont été totalement caractérisés par spectroscopie RMN.Les tests en hydroformylation en milieu aqueux ont permis de montrer l'efficacitéde tels systèmes, aussi bien en termes de sélectivité qu'en termes d'activité. / Supramolecular PN heterobidentate ligands have been elaborated by self-assembling mono-amino-β-cyclodextrins with an appropriate water-soluble phosphine. Their coordination ability has been evaluated on platinum and rhodium complexes and completely characterized by NMR spectroscopy. Catalysts have then been tested in rhodium-catalyzed hydroformylation in aqueous media. Results proved that such ligands exhibit similar behavior than molecular one.

Depuis 1949, date à laquelle Bloembergen en introduisit le concept, la diffusion de spin nucléaire suscite un vif intérêt en résonance magnétique. La diffusion de spin, qui peut être définie comme le transfert de polarisation de spin induit par l’interaction dipolaire, est un mécanisme omniprésent dans les solides. Les mesures expérimentales de ce phénomène contiennent des informations sur la structure du système étudié. La diffusion de spin est cependant un problème quantique à N corps, ce qui rend sa description ab initio relativement difficile. L’objectif principal de cette thèse est d’obtenir une description quantitative et ab initio de la diffusion de spin, en modélisant de manière adéquate la dynamique à N corps sous-jacente. Tout d’abord, nous exploitons une approche existante, reposant sur l’utilisation d’une équation maître pour les polarisations, dans le cas de la diffusion de spin entre carbones permise par les protons (PDSD). Ensuite, nous introduisons une méthode permettant de simuler l’évolution temporelle d’un ensemble d’observables pour un système de spins nucléaires fortement couplés, en utilisant les corrélations de petit ordre dans l’espace de Liouville (LCL). Le modèle LCL fournit une description précise du transfert de polarisation pour les systèmes polycristallins soumis à la rotation à l’angle magique. Après avoir décrit le modèle, nous analysons plus en détail la réduction de l’espace de Liouville pour les solides, afin d’identifier les conditions dans lesquelles l’approximation LCL est valide. Enfin, nous effectuons des simulations de la diffusion de spin entre pro- tons (PSD) et entre carbones (PDSD), à partir de la structure des cristaux étudiés et sans aucun paramètre libre, et nous constatons pour des solides organiques polycristallins que leur accord avec les mesures expérimentales est excellent. / Since its introduction by Bloembergen in 1949, nuclear spin diffusion has been a topic of significant interest in magnetic resonance. Spin diffusion, which can be defined as the transfer of spin polarisation induced by the dipolar interaction, is a ubiquitous transport mechanism in solids. Experimental observations of spin diffusion contain structural information. However, the many-body nature of the problem makes it difficult to describe from first principles. The central goal of this thesis is to obtain a quantitative description of the spin diffusion phenomenon from first-principles, through the development of suitable models of the underlying many-body dynamics. To that end we first consider an extension of an existing approach that relies on a master equation to describe the polarisations, for the case of proton-driven carbon-13 spin diffusion (PDSD). Second, a novel approach is introduced for the simulation of the time evolution of selected observables for large strongly coupled nuclear spin systems, using low-order correlations in Liouville space (LCL). Following the introduction of this new simulation method, Liouville-space reduction in solids is analysed in more detail, in order to identify the conditions under which the LCL approximation is valid. Finally, using the LCL model, simulations of proton spin diffusion (PSD) and PDSD are performed, directly from crystal geometry and with no adjustable parameters, and are found to be in excellent agreement with experimental measurements for polycrystalline organic solids.

La spectroscopie RMN est un moyen unique d’évaluer l’environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu’une compartimentation cellulaire spécifique. C’est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L’évolution de l’ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s’ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l’encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d’une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d’ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d’observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l’utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque. / NMR spectroscopy is a unique modality to evaluate intracellular environment in vivo. Indeed observed molecules are specifically intracellular and generally have a biochemistry role and a specific cellular compartmentation. That could be a useful tool to understand cell functioning in their environment. My thesis work consisted in development of new sequence in both diffusion and phosphorus NMR spectroscopy.My first study was to develop a diffusion-weighted spectroscopy at ultra-short diffusion time to look at the anomalous diffusion in the rat brain. ADC evolution as a function of time shows that brain metabolites motion is mainly due to random diffusion and that active transport (if exist) are negligible. Data modeling evidences that diffusion at short diffusion time is sensitive to cytoplasm viscosity and short scale crowding. In collaboration with the pharmaceutical company, this technique was chosen to follow up transgenic mice (rTg4510), model of tau pathology. Preliminary results show significant differences of ADC at an early stage of neurodegenerescence (3 and 6 months).Phosphorus spectroscopy allows observation of metabolites directly implicated in energetic processes. During this thesis, localization sequences were developed to measure intracellular pH in the primate striatum. These sequences are supposed to be used to evaluate the potential of pH as a biomarker of neurodegenerescence in a phenotypic model of the Huntington disease in the non-human primate.

Le lactate est considéré comme un métabolite déchet depuis de très nombreuses années. Cependant, cette vision semble revisitée depuis quelques temps, avec l'apparition de la notion de glycolyse aérobie et de navettes lactate dans différents types cellulaires (muscle, cerveau et sperme). Concernant le cerveau, des études in vitro, ex vivo et in vivo réalisées ces 20 dernières années ont montré, d'une part, que les astrocytes produisent du lactate et d’autre part que le lactate pouvait être un substrat énergétique pour le système nerveux central (SNC), et plus particulièrement les neurones. Cette notion de navette lactate entre astrocyte et neurone a été proposée pour la première fois en 1994 par Pellerin et Magistretti (ANLS, pour astrocyte-neuron lactate shuttle). Malgré de nombreuses recherches depuis, l'existence d'un transfert net de lactate entre les astrocytes et les neurones n'a toujours pas pu être démontrée in vivo. Dans cet optique, la visualisation de la production de lactate in vivo dans le cerveau activé est essentielle. Le rôle des transporteurs au lactate, MCTs (Monocarboxylate Transporters), dans la détection de ce signal est également un point capital. L’objectif de cette thèse a été de développer la spectroscopie de RMN in vivo localisée dans le cortex somato-sensoriel du rat en condition d’activation cérébrale. Dans un premier temps, un travail de développement a été effectué afin de mettre au point le protocole de stimulation neuronale et d’obtenir un rapport signal sur bruit suffisant pour pouvoir quantifier de façon fiable le lactate. Une fois le protocole établi sur des rats contrôles, l’étude a été réalisée sur des rats modifiés génétiquement et réprimés pour le MCT, soit neuronal, soit astrocytaire. Le but était de déterminer si ce partenaire clef de l’ANLS avait une influence sur les fluctuations de lactate lors de l'activation cérébrale. En plus de la spectroscopie proton in vivo et de l’IRM fonctionnelle, des études de RMN du carbone-13 ont été réalisées ex vivo. Le résultat majeur de cette thèse montre qu’en l’absence du transporteur de lactate neuronal, non seulement on perd l’augmentation de lactate lors de la stimulation cérébrale mais on perd également le signal BOLD sur l’IRMf. Ce résultat suggère, et ce pour la première fois, que l’activité neuronale est fortement dépendante du transporteur au lactate. / Lactate has been considered as a waste metabolite for many years. However, this vision has been reconsidered recently, with the appearance of the notion of aerobic glycolysis and lactate shuttles in different cell types (muscle, brain, and sperm). Concerning the brain, in vitro, ex vivo and in vivo studies carried out over the last 20 years have shown, on the one hand, that astrocytes produce lactate and, on the other hand, that lactate can be an energetic substrate for the central nervous system (CNS), and more particularly neurons. This lactate shuttle between astrocyte and neuron was first proposed in 1994 by Pellerin and Magistretti (called ANLS, for astrocyte-neuron lactate shuttle). Despite many studies since then, the existence of a net transfer of lactate between astrocytes and neurons has still not been demonstrated in vivo. In this regard, visualization of lactate production in vivo in the activated brain is essential. The role of lactate transporters, MCTs (Monocarboxylate Transporters), in detecting this signal is also a key issue. The objective of this thesis was to develop in vivo NMR spectroscopy located in the somato-sensory cortex of rats under brain activation conditions. First, experiments were carried out to develop the neural stimulation protocol and to obtain a sufficient signal-to-noise ratio to be able to quantify lactate. Once the protocol was established on control rats, the study was performed on genetically modified rats and down-regulated for MCT, either neuronal or astrocytic. The aim was to determine whether this key partner of the ANLS has an influence on lactate fluctuations during brain activation. In addition to in vivo proton spectroscopy and functional MRI, carbon-13 NMR studies were performed ex vivo. The major result of this thesis shows that in the absence of the neuronal lactate transporter, not only is the increase in lactate lost during brain stimulation but the BOLD signal on the fMRI is also lost. This result suggests, for the first time, that neural activity is highly dependent on the lactate transporter.

La spectroscopie RMN est un moyen unique d'évaluer l'environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu'une compartimentation cellulaire spécifique. C'est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L'évolution de l'ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s'ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l'encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d'une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d'ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d'observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l'utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque.

Les fullerènes natifs sont reconnus pour leur faible solubilité dans l'eau et par conséquent pour former des agrégats insolubles (nano-C60) dans les fluides biologiques. Au contraire, les hydroxyfullerènes (C60(OH)n) sont très solubles dans les milieux aqueux. Ils sont biocompatibles et démontrent une toxicité in vivo très faible sur les lignées cellulaires humaines. Les mécanismes d'interaction entre ces nanoparticules solubles dans l'eau et les membranes biologiques ne sont pas très connus et pourraient constituer un nouveau mode d'action pour lutter contre les bactéries résistantes aux médicaments et permettre le développement de nouveaux agents antibiotiques plus efficaces. Les buts principaux de cette recherche sont de vérifier l'effet des fullerénols, C60(OH)24, sur les membranes cellulaires modèles à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF et de synthétiser des nanoparticules (NPs) à base de fullerène au pouvoir potentiellement antibiotique. Les membranes cellulaires sont composées majoritairement de phospholipides, et des mélanges de dipalmitoyl-phosphatidylcholine et –phosphatidylglycérol (DPPC/DPPG) et de DPPC/Cholestérol sont utilisés pour imiter respectivement les membranes de bactéries et d'eucaryotes. Les résultats de spectroscopie de RMN (31P et 2H) de l'état solide et d'IRTF présentés dans ce travail démontrent une affinité spécifique des fullerénols pour les membranes bactériennes composées du phospholipide anionique DPPG. Selon nos observations, les fullerénols sont solubles dans l'eau et interagiraient sélectivement avec les têtes polaires de la DPPG à l'interface eau/bicouche via des ponts-H. Aucun effet similaire n'a été observé pour les membranes modèles de type eucaryotes composées de DPPC/Cholestérol. Dans une autre section, une méthodologie de synthèse permettant d'introduire en une étape des unités propargyle ou azoture en périphérie du fullerène est détaillée, ainsi que la méthode pour en évaluer le nombre à l'aide de la TGA, de la RMN et de I'ATR. Ensuite, à l'aide de la méthode de réduction de Staudinger sur un précurseur polyazidofullerène, le composé polycationique C60(OH)n(OCH2CH2NH3+CI-)10 est synthétisé. Aussi, l'exploration de la "Click chemistry" nous permet de synthétiser un fulléroglyco "cluster" D-mannosylé contenant sept unités de carbohydrates en périphérie du fullerène. La haute solubilité de ces composés dans les milieux aqueux est démontrée. En conclusion, à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF, nous avons démontré l'effet spécifique des fullerénols sur les membranes modèles de bactéries. Aussi en deuxième partie, nous avons synthétisé des molécules nouvelles à base de fullerène contenant des fonctions ammonium ou des sucres en périphérie du C60. Ces molécules sont fortement solubles dans l'eau. L'ensemble de nos travaux suggère une piste intéressante dans le développement de nouveaux antibiotiques à base de fullerène ayant une spécificité pour les membranes bactériennes de type E. coli. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fullerénol, interactions membrane/nanoparticule, DPPC, DPPG, cholestérol, RMN de l'état solide, phosphore, deutérium, IRTF, bactérie, eucaryote, ponts-H, fulléroglyco "cluster", polyazidofullerène, fullerène polycationique, TGA, ATR.

L'objectif de ce travail était d'optimiser les conditions ainsi que les techniques d'acquisition par spectroscopie et par imagerie spectroscopique par RMN du proton in vivo, chez le petit animal pour les appliquer à des études biologiques. Les conditions d'acquisitions ont été améliorées par la mise en place d'une technique de correction automatique des inhomogénéités de champ magnétique. Les séquences d'acquisition ont été optimisées par l'utilisation de la technique de suppression d'eau VAPOR et par l'utilisation de l'imagerie spectroscopique par encodage spiral à temps d'écho court. <br />Le pH extracellulaire (pHe) dans les tumeurs est plus acide que dans le tissu sain. Cette acidité semble être un facteur favorisant la prolifération. A l'aide d'une nouvelle molécule sonde, l'ISUCA, nous avons utilisé l'imagerie spectroscopique pour cartographier la distribution de pH extracellulaire dans les tumeurs et la comparer avec la distribution du lactate. Celles-ci ne sont pas corrélées spatialement, de plus à la suite d'une hyperglycémie, les quantités de lactate et de protons augmentent de manière globale mais avec une corrélation spatiale négative. Ces résultats suggèrent une redistribution des protons des sites de la glycolyse vers des pompes membranaires.<br />Le second projet biologique portait sur l'étude du rôle de l'ammonium dans la régulation de la glycolyse dans le cerveau. L'hyperammoniémie augmente la concentration de lactate cérébral: j'ai montré que cette augmentation peut être transitoire, ce qui est une condition incontournable pour un éventuel rôle physiologique de l'ammonium dans le couplage métabolique entre neurones et astrocytes.

Les protéines prions sont associées à une classe de maladies neurodégénératives, dont l'encéphalopathie spongiforme transmissible (EST) est la mieux connue. La protéine prion Sup35p représente un tel modèle car elle est non associée à une maladie. Sup35p se compose de trois domaines : un domaine N-terminal qui est responsable de la formation de prion, d'un domaine de milieu (M) qui affiche un degré élevé de flexibilité, et un domaine C-terminal fonctionnel et globulaire. Le fragment Sup35pNM est souvent utilisé comme modèle pour documenter l'assemblage et les propriétés infectieuses de Sup35p. Les études de Sup35p et Sup35pNM par RMN du solide ont révélé d'étonnantes différences structurelles entre les deux cœurs amyloïdes de Sup35p et Sup35pNM. Nos résultats sur Sup35p apportent un nouvel éclairage sur le monde étonnamment diversifié des prions où la variabilité conformationnelle joue un rôle énorme et perturbant. Ils reflètent l'image émergente que les prions sont des unités structurelles complexes. En effet, même s'il affiche une structure très définie, un domaine donné peut adopter des conformations différentes selon les circonstances (en isolation, dans le contexte d'un fragment ou la protéine entière) ou de l'environnement (conditions de tampon, présence de chaperonnes). Nos résultats donnent une explication au niveau moléculaire pour la contractante propension à l'assemblage et l'infectiosité de Sup35pNM et Sup35p, et soulignent l'importance primordiale d'une caractérisation structurale au niveau moléculaire des agrégats utilisés dans des études fonctionnelles / Prion proteins are associated with a class of neurodegenerative diseases, including transmissible spongiform encephalopathy (TSE) which is the best known. The prion protein Sup35p displays a model system because it is not associated with disease. Sup35p consists of three domains: an N-terminal domain which is responsible for the prion formation, a middle domain (M) that displays a high degree of flexibility, and a functional C-terminal domain. Sup35pNM the fragment is often used as a model to document for the assembly and infectious properties of Sup35p. Solid-state NMR studies of Sup35p and Sup35pNM fibrils showed amazing structural differences between the two amyloid cores. Our results shed new light on the surprisingly diverse world of prions where conformational variability plays a huge role. They reflect the emerging picture that prions are complex structural units. Even if it displays a very defined structure, a given field may adopt different conformations depending on the circumstances (in isolation, in the context of the whole protein or fragment) or the environment (buffer conditions, presence of chaperones). Our results provide an explanation at the molecular level for the contrasting propensity assembly and infectivity Sup35pNM and Sup35p, and emphasize the central importance of a structural characterization at the molecular level

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