De nombreuses incertitudes persistent sur la toxicité potentielle des nanoparticules (NPs) et leur devenir dans l’organisme humain. L’objectif de ce travail est de mieux comprendre les mécanismes cytotoxiques induits par des NPs métalliques sur une cible secondaire, représentée par le rein. En effet, les NPs sont susceptibles de franchir les barrières cellulaires, d’être véhiculées par le sang pour se retrouver filtrées par le rein au niveau des cellules glomérulaires et peut-être, réabsorbées au niveau des cellules tubulaires. Cette étude est réalisée in vitro, avec des NPs métalliques de titane (TiO2 : 12 nm), de zinc (ZnO : 75 nm) et de cadmium (CdS : 8 nm), sur cellules mésangiales (IP15) et cellules épithéliales tubulaires (HK-2). Les résultats démontrent des effets variables selon le type cellulaire étudié, la nature chimique des NPs et leur solubilité. Si les NPs insolubles de TiO2 (CI50>100 µg/cm²) ne sont que très peu toxiques, les NPs de CdS et de ZnO le sont bien plus du fait de leur solubilité (CI50<7 µg/cm²). La libération de cations métalliques Cd2+ et Zn2+ est à l’origine de cette toxicité. La production d’ERO et la perturbation du statut oxydatif cellulaire (GSH/GSSG) sont corrélées aux effets cytotoxiques des NPs de ZnO et CdS. Une approche moléculaire permet d’identifier les voies de signalisation cellulaire intervenant dans la réponse au stress (translocation nucléaire des facteurs de transcription : Nrf2 et NF-κB). L’internalisation et l’accumulation, des NPs de TiO2 et de CdS, sont responsables de l’induction d’un stress oxydant et d’un effet cytotoxique lors d’exposition sur le long terme. / Many uncertainties remain about the potential toxic effect of nanoparticles (NPs), and their becoming in human organism. The aim of this study was to understand the cytotoxic mechanisms induced by metallic NPs, on a secondary target organ, the kidney. NPs were able to cross biological barriers, be carried in blood to kidney cells, on glomerular or tubular cells. This study was performed in vitro, with NPs of titanium (TiO2: 12 nm), zinc (ZnO: 75 nm) and cadmium (CdS: 8 nm), on mesangial IP-15 cells and epithelial HK-2 cells. Results showed effects depending on cell type, chemical nature of NPs and their solubility. TiO2 NPs have no cytotoxic effect (IC50>100µg/cm²), probably due to their insolubility. Exposure to CdS and ZnO NPs lead to cell death (IC50< 7 µg/ cm²). Release of metallic cations Cd2+ and Zn2+ are the main causes of toxicity. ROS production and disruption of oxidative cellular balance (GSH/ GSSG) were correlated to the cytotoxic effects of ZnO and CdS NPs. A molecular approach was used to identify signaling pathways involved in oxidative stress response (nuclear translocation of NF-kappaB and Nrf2).Internalization and accumulation of TiO2 and CdS NPs were responsible of oxidative stress induction and cytotoxic effect on long term exposure.

L’impact potentiel des nanotubes de carbone multi-parois (NTCMW) a été évalué sur des larves de Xenopus laevis, exposées à des concentrations de 0,1 ; 1 et 10 mg/L, sur une durée allant de 2 à 24 h. Des mesures biochimiques réalisées à l’échelle des larves entières ont permis de mettre en évidence une induction d’un stress oxydant caractérisé par une production de peroxyde d’hydrogène et une induction des enzymes de lutte contre le stress oxydant : glutathion réductase, catalase et superoxyde dismutase, de façon dépendante de la concentration en NTCMW. Une production significative de malondialdéhyde, un marqueur important de la peroxydation des lipides, a été mesurée chez les larves en présence de NTCMW bruts. Les résultats de mesure des dommages à l’ADN ont indiqué une altération du matériel génétique de façon dose-dépendante. Des observations macroscopiques des larves, ont montré une accumulation, dose- et temps-dépendante, de masses noires suspectées d’être des agglomérats de NTC, au niveau des branchies, laissant penser à un probable colmatage de ces dernières. Cette hypothèse a été vérifiée par la mesure de différents paramètres sanguins. Une diminution de la pression partielle en O2 (pO2) et du pH ont été observées à partir de 1 mg/L de NTCMW dans le milieu. À 10 mg/L, une augmentation significative de la pCO2 et de la concentration en hémoglobine, accompagnée d’une diminution du pH et de la pO2 ont été observées. Enfin les analyses de RT-PCR quantitative, réalisées au niveau des érythrocytes, ont permis de confirmer l’induction du stress oxydant, de la peroxydation des lipides, des dommages à l’ADN et de l’hypoxie. La quantification des transcrits a également mis en avant un processus inflammatoire et apoptotique en réponse à une exposition des larves à des concentrations élevées en NTCMW bruts. / The potential impact of the Multiwalled Carbon Nanotubes, (MWCNT) was investigated on Xenopus laevis tadpoles exposed to concentrations of 0.1, 1 and 10 mg/L, on period ranging from 2 to 24 h. Biochemical measurements across whole larvae were allowed to demonstrate induction of oxidative stress, characterized by the production of hydrogen peroxide and induction of anti-oxidantive enzymes: glutathion reductase, catalase and superoxide dismutase, depending of the concentration MWCNT. Significant production of malondialdehyde, a major marker of lipid peroxidation was measured in larvae in presence of Raw MWCNT. The results of DNA damage measurement indicated alterations of the genetic material in a dose-dependent manner. Macroscopic observations of larvae showed a dose dependent time accumulation of black masses in gills, suspected to be CNT agglomerates, suggest a probable gills clogging. This hypothesis was verified by measuring various blood parameters. A decrease in O2 partial pressure (pO2) and pH were observed from 1 mg/L of MWCNT in the exposure medium. At 10 mg/L, a significant increase in the pCO2 and hemoglobin concentration, accompanied by a decrease in pH and pO2 were measured. Finally, Quantitative RT-PCR analysis performed on tadpoles erythrocytes, have confirmed the induction of oxidative stress, lipid peroxidation, DNA damage and hypoxia. Quantification of transcripts also helped to highlight an inflammatory and apoptotic process in response to larvae exposure to high concentrations of raw MWCNT.

Un dysfonctionnement mitochondrial est impliqué dans plusieurs maladies neurodégénératives, corrélé avec une augmentation des niveaux de stress oxydant. Les anomalies mitochondriales observées dans les tissus des patients, les modèles animaux et cellulaires des maladies de Huntington et de Parkinson, suggèrent l'implication de la mitochondrie dans leur pathogénie.Les deux projets discutés dans ce manuscrit se focalisent sur le rôle des aspects particuliers de la physiologie mitochondriale au cours des deux maladies. / Mitochondrial dysfunction has been implicated in several neurodegenerative diseases and is correlated with augmented levels of intracellular oxydant stress. The mitochondrial defects observed in tissues from patients, as well as in animal and cellular models of Huntington’s and Parkinson’s diseases, suggest the implication of mitochondria in the pathogenesis of these diseases. The two projects discussed in this manuscript focus on the role of particular aspects of mitochondrial physiology in these diseases. By the first project we show the role of defective mitochondrial respiratory chain compex II in several rodent models of Huntington’s disease. By using a lentivirus-based gene transfert strategy we highlight the neuroprotective potential of the striatal overexpression of the subunits of complex II. The second project focus on Parkin and PINK1, two proteins implicated in the autosomal recessive, hereditary forms of Parkinson’s disease and in mitochondrial quality control mechanisms, such as mitophagy. In a cellular model we show that the two proteins facilitate Drp1-dependent mitochondrial fission. We show that Parkin may facilitate the signaling pathways controlling the activity of the pro-fission protein Drp1. This effect is probably indirect and mostly PINK1-independent. On the contrary, in mitochondrial depolarization conditions, by FRET (Förster Resonance Energy Transfer) a direct spatial coordination of Parkin, PINK1 and Drp1 is observed, which seems to be determinant for the efficiency of mitophagy. My projects shed new light on pathogenic mechanisms and open new perspectives in the research on these diseases.

Le cancer de la prostate est un problème de santé publique majeur. L’exercice physique régulier fait désormais partie des moyens bien décrits pour améliorer la qualité de vie des patients atteints de cancer. Une activité physique quotidienne est donc recommandée pendant et après le traitement. Toutefois, aucune étude ne s’est intéressée aux interactions potentielles entre l’exercice physique, la consommation d’antioxydants et la radiothérapie. L’absence de connaissances sur les mécanismes moléculaires associés à ces stratégies connues pour moduler le stress oxydant, un facteur crucial dans l’évolution de la carcinogenèse prostatique, soulève aujourd’hui une question majeure : l’exercice physique influence-t-il la progression tumorale ? Les objectifs de ce travail de thèse étaient de déterminer les effets de l’exercice physique, combinée ou non à d’autres stratégies, sur la progression du cancer de la prostate et d’identifier des mécanismes moléculaires notamment redox-sensibles impliqués dans ces effets. En s’appuyant sur différentes études in vitro et in vivo, nos travaux ont mis en évidence que l’exercice physique prévient la progression du cancer de la prostate via la régulation du statut redox et de voies de signalisation redox-dépendantes, ou via une modulation de la cholestérolémie ou encore du profil d’expression des miRNAs. Nos travaux démontrent également que l’exercice physique associé à la prise d’antioxydants alimentaires inhibe les effets antiprolifératifs de ces stratégies isolées, et inversement, que l’exercice physique potentialise l’efficacité de la radiothérapie. / Prostate cancer is a major public health problem. It has now been widely recognized that regular physical exercise improves the quality of life of cancer patients. Thirty minutes of physical activity a day is recommended during and after treatment. However, potential interactions of physical exercise, dietary antioxidant intake and radiotherapy have not yet been studied. The lack of knowledge on molecular mechanisms associated with these strategies known to modulate oxidative stress, a key factor in prostate cancer evolution, raises a question: does physical exercise influence the efficiency of patient management and tumor evolution? The objectives of this work was to determine the effects of physical exercise, combined or not with others strategies, on prostate cancer progression and to identify redox sensitive-molecular mechanisms involved in these effects. We used different in vitro and in vivo approaches to achieve these aims. Our researches underline the essential role of physical exercise in prevention of prostate tumor progression, through a redox state and signaling pathways regulation, but also through a modulation of cholesterol levels or miRNA expression profiles. We also demonstrate that physical exercise associated to dietary antioxidant consumption limits anti-proliferative effects of these isolated treatments. Inversely, we reported that regular physical exercise enhances radiotherapy efficiency

L’étude des effets respiratoires d’aérosols d’oxydes métalliques par inhalation chez la souris est motivée par les observations chez les patients soudeurs. En effet, les soudeurs développent des pathologies cardio-respiratoires qui pourraient être directement ou indirectement liées à l’exposition aux fumées de soudage. Ces fumées de soudage sont composées de différentes espèces chimiques, de poussières mais aussi de nanoparticules (NP). En effet, on retrouve des NP jusqu’à 80 % en nombre et 11% en masse dans les fumées de soudage. Dans le but d’évaluer le rôle de la composante nanoparticulaire des fumées de soudage, mon sujet de thèse est centré sur l’étude des effets respiratoires d’expositions répétées aux aérosols de NP d’oxydes de fer et de manganèse par inhalation chez la souris Dans le précédent rapport, nous avions présenté la technique de génération des aérosols d’oxydes de NP / Traduction de Reverso en Anglais The study of the respiratory effects of sprays of metal oxides by inhalation to the mouse is motivated by the observations at the patients welders. Indeed, the welders develop cardio-respiratory pathologies which could be directly or indirectly bound to the exhibition in smokes of soldering. These smokes of soldering are consisted of various chemical species, dusts but also nanoparticles (NP). Indeed, we find NP until 80 % in number and mass 11 % in smokes of soldering. With the aim of estimating the role of the component nanoparticulaire smokes of soldering, my thesis subject is centered on the study of the respiratory effects of exhibitions repeated to the sprays of NP of iron oxide and manganese by inhalation to the mouse

L’excès de masse grasse, notamment infantile est en perpétuelle augmentation à l’échelle mondiale. Plusieurs études ont montré une association entre cette prise de poids et la survenue de pathologies cardiovasculaires. Cependant, il semble nécessaire de renforcer notre compréhension des liens existant entre la survenue de maladies cardiovasculaires à l’âge adulte et l’existence d’un surpoids durant l’enfance et/ou l’adolescence. Afin de répondre à cette problématique, nous avons utilisé un modèle de suralimentation postnatale chez le rongeur, basé sur la réduction des portées à la naissance. Ainsi, les travaux réalisés au cours de ce Doctorat ont permis de mettre en évidence l’impact d’une surnutrition postnatale précoce sur le développement ultérieur d’altérations cardio-métaboliques. Dans un premier temps, nous avons montré qu’une prise de poids précoce, chez le rat et la souris, induisait une augmentation pérenne de la masse corporelle adipeuse, associée à des perturbations des paramètres biochimiques, représentées par une augmentation de la glycémie, de l’insuline, du cholestérol et de la leptine plasmatique.Dans un deuxième temps, le volet oxydant a été exploré. Ainsi, les animaux ayant subi une suralimentation postnatale, une fois adultes, voient leur niveau de stress nitro-oxydant augmenter au niveau circulant et sur le plan tissulaire cardiaque, alors que des enzymes antioxydantes telles que les superoxydes dismutases et les catalases y présentent une activité augmentée.Dans un troisième temps, l’exploration de la fonction cardiovasculaire a montré, in vivo, que la suralimentation postnatale réduisait de manière significative la contractilité myocardique et induisait une augmentation des niveaux de pression artérielle systolique et diastolique chez la souris. Ex vivo, les cœurs de souris adultes ayant subi une suralimentation postnatale présentaient une plus grande sensibilité aux lésions induites par l’ischémie reperfusion, libérant plus d’enzyme lactate deshydrogénase (LDH) et montrant une taille de nécrose ventriculaire très significativement accrue. De plus, l’étude du remodelage cardiaque a montré chez ces animaux une augmentation de la fibrose associée à une augmentation à la fois de l’expression et de l’activité des métallo-protéinases de type 2 (MMP-2). Enfin, d’un point de vue de l’expression génique cardiaque, notre étude montre que la suralimentation postnatale induit très précocement, dès le sevrage, des différences d’expression portant sur plus de 822 gènes cardiaques, et notamment des gènes de structure comme ceux d’isoformes du collagène ou de protéines de la matrice extracellulaire, ce qui pourrait expliquer la présence d’un remodelage d’origine précoce.Il est évident que des travaux supplémentaires s’imposent afin d’expliquer les mécanismes mis en jeu au cours de ces différentes altérations. Cependant, il apparaît clairement que des modifications nutritionnelles lors d’une période du développement suivant immédiatement la naissance peuvent induire à long terme des altérations d’ordre biochimique, oxydative et cardiovasculaires / No abstract

Le projet de thèse concerne l’étude des réseaux de régulation en lien avec l’homéostasie des ions métalliques chez la bactérie à Gram-positif Bacillus subtilis. Les ions métalliques tels que Fe(II), Mn(II) et Zn(II) sont essentiels dans un grand nombre de processus cellulaires entant que cofacteur d’enzymes ou en tant qu’élément structural dans les protéines. Cependant, à trop hautes concentrations, ils peuvent avoir des effets toxiques en endommageant la membrane cellulaire et l’ADN ainsi qu’en inactivant la fonction de certaines protéines. De plus, en condition aérobie, B. subtilis produit du peroxyde d’hydrogène H₂O₂ qui réagit avec les ions Fe(II) pour produire des radicaux libres hautement toxiques pour la cellule. La régulation de l’homéostasie des ions métalliques doit donc être parfaitement régulée et coordonnée avec les autres processus cellulaires. J’essaie de comprendre de façon globale, via des approches expérimentales à grande échelle, les interconnexions entre les régulateurs de l’homéostasie des ions métalliques et autres voies métabolique dans Bacillus subtilis. / The present doctoral thesis concerns the study of the regulatory network linked tometal ions homeostasis in the Gram+ Bacillus subtilis. Metal ions such as Fe(II), Mn(II) andZn(II) are essential for many metabolic processes, since they function as enzyme cofactors andstructural ligands of proteins. Changes in ions availability can alter activity of enzymes of thecarbon metabolism and lead to changes in gene expression. In addition, the modulation of metalion homeostasis is intimately linked with the oxidative stress response: during aerobic growth,hydrogen peroxide is generated and it rapidly reacts with ferrous iron to form ROS molecules.Hence, regulation of metal ions uptake/efflux has to be finely regulated and coordinated with othercellular processes. With the present project, I aim to understand at system’s level how Bacillussubtilis integrates the control of metal ions homeostasis with other metabolic processes.

L’infarctus du myocarde est l’une des principales causes de morbi-mortalité dans les pays développés, malgré l’amélioration enregistrée dans la prise en charge thérapeutique de cette urgence coronaire. Le stress oxydant est un facteur impliqué dans la physiopathologie de l’IDM. Notre étude a montré la diminution des capacités antioxydantes chez des patients hospitalisés pour un IDM aigu. Une partie de notre étude a été consacrée pour explorer le système Peroxyredoxine Thioredoxine. Il s’agit d’un système antioxydant majeur impliqué dans la régulation des voies d’apoptose. La connaissance des mécanismes moléculaires responsables des lésions myocardiques lors d’une ischémie, constitue l’une des avancées importantes dans la compréhension de la physiopathologie des syndromes coronaires aigus. / Myocardial infarction is the leading cause of death in developed nations despite of recent advances in the management of this disease. Oxidative stress is involved in the physiopathology of Myocardial Infarction. Our study showed a decreased antioxidant activities in patients with Acute Myocardial Infarction. A part of the present study was designed to explore Peroxiredoxin Thioredoxin activity. It’s considered as a major antioxidant system and it control hydrogen peroxide levels which mediate the signal transduction, including apoptosis signal. Molecular mechanisms underlying the oxidative stress toxicity in cardiomyocytes have to be more elucidated and may help the evolving of therapeutic care strategies of coronary heart disease.

L’hypertension artérielle est un problème de santé publique majeur, au centre de nombreuses pathologies. En étudiant la prévalence de l’hypertension, nous nous sommes intéressés à deux points en particulier que nous abordons dans ce manuscrit de thèse. Le premier est l’existence d’une relation bidirectionnelle entre l’hypertension et le syndrome de l’apnée du sommeil (SAS), maladie encore sous-diagnostiquée de nos jours. Le second concerne le fait que les hommes sont plus touchés par ces deux pathologies que les femmes, mais que cette tendance s’inverse au moment de la ménopause, suggérant un rôle protecteur des hormones ovariennes. Les mécanismes sous-jacents de la mise en place de l’hypertension ont été étudiés dans différentes maladies associées (athérosclérose, obésité, diabète), mais ils restent encore méconnus dans le SAS chez la femme ménopausée. Le travail de cette thèse vise à comprendre les mécanismes à l’origine de l’hypertension artérielle chez les femmes ménopausées atteintes du SAS. Pour cela, nous avons utilisé un modèle animal d’hypoxie intermittente (HI; 21%-10% O2 ; 10cycles/h ; 8h/jour). Ce modèle simule le profil physiopathologique observé chez les patients apnéiques, en particulier avec le développement de l’hypertension artérielle. La particularité de nos travaux de recherche est l’utilisation de rats femelles ovariectomisées (OVX), permettant ainsi de mimer la ménopause, contrairement à de nombreux modèles d’HI qui utilisent le rat mâle. Par ailleurs, nous avons également regardé le rôle de l’estradiol (E2) dans le développement de l’hypertension et sur les mécanismes sous-jacents induits par l’HI. Nos principales conclusions sont que l’HI engendre une élévation de la pression artérielle et de la concentration en endothéline-1 (un vasoconstricteur), mais que ceci est réversible avec le traitement à l'E2. Au niveau de l'aorte, l'OVX engendre une augmentation du stress oxydatif, mais, de nouveau, la supplémentation en E2 renverse cet effet. Les mécanismes de réponse à l'E2 sont différents selon le protocole suivi par l’animal ; après l’HI, l’E2 réduit l'activité des enzymes pro-oxydantes alors qu’en condition de normoxie (21% O2), l’E2 augmente l'activité des enzymes anti-oxydantes. Au niveau des poumons, l’HI augmente le stress oxydatif mais l’OVX a un effet chez les animaux en normoxie uniquement. Les effets de l'E2 sur le stress oxydatif sont tissu-dépendants. Le traitement à l'E2 permet de pallier les dysfonctions vasculaires / Arterial hypertension is a major public health problem, which is at the heart of many diseases. In studying the prevalence of hypertension, we focused in two specific points that we address in this thesis manuscript. The first one is the existence of bidirectional relationship between hypertension and sleep apnea syndrome (SAS), a disease that is still underdiagnosed today. The second is that men are more affected by these two conditions than women, but this trend reverses at the time of menopause, suggesting a protective role of ovarian hormones. The underlying mechanisms of the establishment of hypertension have been studied in various associated diseases (atherosclerosis, obesity, diabetes), but they are still unknown in SAS in menopausal women. This work aims to understand the mechanisms underlying high blood pressure in postmenopausal women with SAS. For this, we used an animal model of intermittent hypoxia (IH, 21% -10% O2, 10cycles/h, 8h/day). This model presents the same pathophysiological profile observed in apneic patients, in particular with the development of arterial hypertension. The unusual feature of our study is the use of ovariectomized (OVX) female rats, thus allowing to mimic the menopause, contrary to many models of IH which use the male rats. In addition, we also looked at the role of estradiol (E2) in the development of hypertension and on the underlying mechanisms induced by IH. Our main conclusions are that although IH causes elevation of blood pressure and endothelin-1 concentration (a vasoconstrictor), it is reversible with E2 treatment. In aorta, OVX generates an increase of oxidative stress, but, again, the supplementation in E2 reverses this effect. The mechanisms of response to E2 are different according to the protocol followed by the animal; after IH, E2 reduces the activity of pro-oxidant enzymes whereas in normoxia condition (21% O2), E2 increases the activity of antioxidant enzymes. In the lungs, IH increases oxidative stress, but OVX has an effect only in female rats exposed to normoxia. The effects of E2 on oxidative stress are tissue-dependent. E2 treatment overcomes IH-induced vascular dysfunction and may be clinically relevant in the treatment of SAS in postmenopausal women

Le syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) est connu pour être un facteur de risque indépendant de l'insuffisance coronarienne aiguë. Chez le rat, l'hypoxie intermittente (HI) aiguë ou chronique augmente la sensibilité du cœur à l'infarctus. En effet, l'exposition à l'HI (FiO2 5%) de 4 h ou de 14 jours aggrave les lésions myocardiques induites par une ischémie-reperfusion (I/R). Le but de ce travail est de déterminer si des agents connus pour leurs propriétés anti-ischémiques peuvent prévenir les conséquences cardiovasculaires délétères de l'HI chez le rat. Ainsi les effets de l'érythropoïétine (EPO), la trimétazidine (TMZ), le tempol et la mélatonine sur la cardiosensiblisation induite par l'HI ont été étudiés. L'administration d'EPO exogène immédiatement avant ou après une I/R empêche l'aggravation de l'infarctus induite par l'IH aiguë dans le cœur isolé de rat. Le tempol et la mélatonine préviennent également les effets délétères de l'HI via leurs propriétés antioxydantes. L'administration concomitante à une HI chronique de 14 jours de l'un de ces agents permet de réduire significativement l'aggravation de l'infarctus et l'élévation de la pression artérielle moyenne. De plus, le traitement par le tempol abolit la génération d'ion superoxyde (O2.-) et la surexpression de la sous-unité p47-phox de la NADPH oxydase, suggérant le rôle du stress oxydant dans les effets cardiovasculaires délétères de l'HI chez le rat. En revanche, la trimétazidine administrée durant les 14 jours d'HI n'a pas d'effet significatif, suggérant que l'action anti-ischémique de la TMZ ne peut compenser les effets de l'HI. Des études complémentaires sont nécessaires pour explorer les mécanismes impliqués dans la cardiosensibilisation et en particulier le rôle exact du stress oxydant. Ainsi, de nouvelles perspectives cliniques et thérapeutiques basées sur ces études pourraient être envisagées dans le SAOS.