Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Ces dernières années, un nouveau composant de l'environnement des tumeurs (ET) a été mis en évidence: les projections des neurones du système nerveux. En effet, les tumeurs sont infiltrées par des axones, ce qui pourrait réguler la progression du cancer.Le cancer du pancréas fait partie des cancers les plus mortels. Les traitements thérapeutiques actuels qui ciblent ce cancer ne sont pas efficaces. Il est donc important de mieux comprendre les différentes composantes de l'ET de ce cancer afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous proposons de décrire l’innervation des tumeurs pancréatiques ce qui est le point de départ pour mieux comprendre l’importance de cette composante de l'ET. Les objectifs ont été d’analyser en 3D les réseaux d'axones qui innervent le pancréas sain et cancéreux, ainsi que leurs relations avec d'autres types cellulaires de l'ET (vaisseaux sanguins (VS)).Pour cela, nous avons utilisé une méthode d'imagerie 3D de pancréas entiers, rendus transparents, qui proviennent de modèles génétiques de souris qui développent des cancers du pancréas similaires à ceux de l'homme. Nous avons observé que les réseaux d'axones sont plus denses et plus complexes dans les régions cancéreuses du pancréas par rapport aux régions saines. Alors que dans les tissus sains les axones sont associés aux VS, ils ne le sont plus dans les régions cancéreuses. Nous avons de plus identifié des groupes morphologiques de réseaux d'axones qui permettent de discriminer une région saine d'une région cancéreuse.L’analyse de la structure en 3D de ces réseaux d'axones pourrait donc représenter une donnée prédictive et pronostique de l'état d'avancé clinique de la maladie. / Cancers are diseases in which cancer cells interact with a complex tumor environment (TE). In recent years, a new component of TE has been highlighted: neuronal projections of the nervous system. Indeed, the axons of neurons innervate the tumors, which could regulate cancer progression.Pancreatic cancer is among the most deadly cancers. Indeed, the current therapeutic treatments that target this cancer are not effective. It is therefore important to better understand the different components of the TE of this cancer in order to identify new potential therapeutic targets.In this thesis, we propose to describe the innervation of pancreatic tumors which is the starting point to better understand the importance of this component of the TE. The objectives were to visualize and analyze in 3D the networks of axons that innervate the healthy and cancerous pancreas, as well as their relations with other cell types of the TE (blood vessels (BV)).For this, we used a method of 3D imaging of whole pancreas, made transparent, which come from genetic models of mice that develop pancreatic cancer similar to that of humans.We observed that axon networks are denser and more complex in cancerous regions of the pancreas compared to healthy regions. Moreover, while in healthy tissue, axons are associated with BV, they are no longer in cancerous areas.We also identified morphological groups of axon networks that discriminate a healthy region from a cancerous region.The analysis of the 3D structure of these axon networks could thus represent a predictive and prognostic value for the progression of the disease.

La production endogène de glucose est une fonction cruciale de l'organisme, permettant de maintenir l'homéostasie glycémique. Alors que la production accrue de glucose par le foie a des effets délétères, la néoglucogenèse intestinale (NGI) exerce des effets bénéfiques sur l'équilibre métabolique de l'organisme. Les régimes hyperprotéiques sont connus pour leurs effets de satiété. Grâce à des travaux physiologiques et moléculaires chez le rat et la souris, nous montrons dans une première partie que l'effet bénéfique des régimes hyperprotéiques passe par une induction de la NGI. Lors de la digestion des protéines alimentaires, des di- et tripeptides sont libérés dans la veine porte. Ces molécules agissent comme des antagonistes des récepteurs μ-opioïdes de la veine porte, initiant un arc réflexe intestin-cerveau induisant la NGI et la satiété. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle rendant compte des effets bénéfiques des régimes riches en fibres, tels que l'amélioration de la sensibilité à l'insuline et l'induction de la dépense énergétique. Les fibres solubles sont fermentées par le microbiote intestinal, produisant des acides gras à chaîne courte (AGCC), acétate, propionate et butyrate, à l'origine des effets métaboliques observés. Nous montrons que le butyrate active directement les gènes de la NGI dans les entérocytes, et que le propionate se lie aux récepteurs FFAR3 dans le système nerveux périportal, initiant un mécanisme de communication entre l'intestin et le cerveau induisant la NGI. De plus, nous montrons que la modification de la composition du microbiote par les fibres alimentaires n'est pas suffisante en soi pour induire les effets bénéfiques en absence de NGI

Une lésion au niveau d’un nerf périphérique peut provoquer la perte de fonction sensorielle et motrice, et dans le cas de neurotmésis, la régénération spontanée ne se produira pas. De plus, si l’espace entre les deux segments de nerf est trop important, une suture directe n’est pas possible et l’implantation d’une greffe est nécessaire afin de créer une liaison entre les deux segments de nerf. L’autogreffe de nerf est le « gold standard » pour des procédés de réparation nerveuse : une portion d’un nerf sein (qui est considéré comme un nerf moins important) est prise du même patient et implantée au site de la lésion. Cependant, il existe plusieurs désavantages avec ce procédé comme une deuxième chirurgie, la perte de fonction au site du don, la possibilité de développer un neurome sur ce même site, ainsi qu’un taux de réussite de 50% dans les cas où l’espace entre les deux segments de nerf est très important. Il reste donc, un besoin de trouver un procédé alternatif afin d’augmenter le taux de réussite et d’éliminer les désavantages de l’autogreffe. L’objectif de cette étude est d’avancer vers une solution alternative de l’autogreffon en utilisant des biomatériaux. Cette thèse se divise en trois parties. La première se focalise sur le développement d’un modèle de guide nerveux basé sur des nanofibres de fibroïne de soie. Ce matériau est composé d’une organisation complexe qui inclut deux surfaces de nanofibres alignées avec une couche de nanofibres aléatoires à l’intérieur afin d’améliorer des propriétés mécaniques du matériau sans la perte d’orientation des fibres pour la régénération nerveuse. Le matériau est ensuite manipulé pour fabriquer un tube, multi-canaux avec une « enveloppe » supplémentaire afin de faciliter le procédé d’implantation chirurgicale. Ce guide nerveux a été soumis pour l’obtention d’un brevet européen le 12 juillet 2017 et cela est le sujet d’un deuxième article qui a été soumis pour publication. La deuxième partie de cette étude explore des possibilités d’une fonctionnalisation du matériau afin d’améliorer son efficacité pour la régénération nerveuse. Cette étude explore la fonctionnalisation de la fibroïne de soie avec une deuxième protéine, plusieurs facteurs de croissance, et des nanoparticules. Chacune de ces fonctionnalisations donne une possibilité d’ajouter des propriétés favorables à la fibroïne de soie, un matériau naturel et biocompatible. La troisième partie de cette étude examine l’efficacité d’un guide nerveux composé de la fibroïne de soie fonctionnalisée avec des facteurs de croissance pour la régénération nerveuse périphérique en comparaison avec un guide nerveux composé de la fibroïne de soie sans aucune fonctionnalisation et une suture direct (qui simule une autogreffe). Trois techniques d’évaluation différentes de la régénération nerveuse ont été réalisées afin d’obtenir une analyse plus complète. Il y a de nombreux mécanismes impliqués dans la régénération nerveuse, il est donc nécessaire d’étudier différents paramètres pour analyser l’efficacité de régénération. Les résultats d’analyses histologiques, d’électromyographie, et de capture de mouvement, ont été considérées ensemble afin d’arriver à une conclusion sur la réussite d’une régénération nerveuse pendant cette étude. Pour conclure cette étude, les guides nerveux fonctionnalisés avec une combinaison de facteurs de croissance démontrent une meilleure régénération nerveuse et une récupération de fonction supérieure. / Injury to a peripheral nerve can cause loss of sensory and motor function, and if the injury is very severe where the nerve undergoes neurotmesis, unassisted nerve regeneration may not occur. In this case, where the gap between nerve segments is too large to carry out a direct end to end suture, a graft is sutured to bridge the gap between sectioned nerve segments. The autologous nerve graft, where a portion of a less important nerve from the same patient is removed and grafted between nerve segments, continues to be the gold standard procedure for nerve repair. However, there are several drawbacks of this technique including a second surgical procedure, loss of function at the donor site, possibility of developing a painful neuroma at the donor site, and the 50% success rate of autografts used in large gaps. There is therefore a need for a tissue engineered nerve graft that can replace the autograft, and this study aims to advance toward an effective autograft alternative. This PhD is presented as a three part study consisting first of the development of a novel nerve guidance conduit based on a tri-layered silk fibroin nanofiber material comprised of a complex organization including two aligned fiber surfaces and a randomly deposited fiber interior to improve the mechanical properties of the material while not compromising the guidance capabilities of aligned nanofibers for nerve regeneration. The material is then used to fabricate a multi-channeled tube with an additional “jacket layer” in order to facilitate surgical implantation. This NGC has been submitted to be patented on July 12, 2017 and is the subject of the second article submitted for review for publication. The second part of this study explores the different possibilities of the functionalization of the material in order to improve the effectiveness for nerve regeneration. This study explores functionalizing the silk fibroin with a second protein, several growth factors, and nanoparticles that all have potential to add favorable properties to the natural biocompatible silk fibroin material. The final part of this study tests the effectiveness of growth factor-embedded silk fibroin NGCs for peripheral nerve regeneration in comparison with non-functionalized silk fibroin devices and a direct suture to simulate results obtained with an autograft. Three different techniques for the evaluation of nerve regeneration were used in order to produce a more comprehensive analysis. As there are many mechanisms involved in nerve regeneration, only one or two analysis techniques cannot paint a complete picture of the success of nerve regeneration. Therefore, histological analyses, electromyography analyses, and motion capture analyses were carried out and considered together in order to make a conclusion on the level of nerve regeneration success during this study. The conclusions from this study were that a NGC functionalized with a combination of growth factors appeared to exhibit the most successful nerve regeneration and functional recovery.

Dans ce projet nous nous intéresserons à la création d’un nouveau modèle permettant de simuler des enregistrements extracellulaires de l’activité électrique neurale dans le système nerveux périphérique. Ce modèle fut développé pour permettre une meilleure compréhension de l’impact des différentes propriétés des interfaces sur la qualité des signaux recueillis. Ce projet fut en particulier conduit pour répondre au contexte actuel qui voit le développement de nombreuses applications dans le domaine des neuro-prothèses et autres interfaces neurales à but biomédical. Nos intentions étaient de fournir un nouvel outil permettant de mieux comprendre les particularités des interfaces existantes ou d’aider à leur amélioration et à la planification de futures innovations. Ce modèle est construit comme la synthèse de la compréhension actuelle des différents rouages biophysiques impactant les enregistrements. Sa structure peut être perçue comme l’assemblage de différents sous-systèmes interconnectés et représentant chacun une dimension du processus. Il s’avère particulièrement efficace pour l’analyse comparative des performances entre diffèrent types/géométries d’électrodes invasives. Dans ce document, nous nous efforcerons d’expliquer en détail la structure et les paramètres de notre modèle. Nous décrirons ensuite les différents tests que nous avons entrepris pour sa validation expérimentale, ainsi que les différentes voies d’applications que nous avons commencé à explorer. Nous finirons par décrire les améliorations qui nous sont apparues comme nécessaires ou possibles et par une discussion sur les ouvertures futures offerte à ce domaine de recherche. / Neural interfaces are becoming a newly dynamic and promising field especially thanks to the numerous applications they could have in the biomedical domain. A great deal of these applications requires a monitoring of targeted neural activity. Among the different technologies available for such recording practice, chronic electrodes implanted in the peripheral nervous system offer a good compromise on the resolution versus invasiveness technological constraint. A large array of electrodes has been developed in this intention but there is still only a limited comprehension of their recording principles and weakness. This makes difficult any targeted improvement of the electrodes and led this field to be mainly dominated by a trial and error empirical approach simultaneously costly in funds, animal lives and time. In particular, intrafascicular electrodes, while providing exiting results for stimulation, have often failed in recordings. These electrodes typically show interesting recording performance right after implantation but have rapid decline of their efficacy up to the points that they often become useless after a few weeks. Such performance proves problematic as they drastically limit the transfer of experimental results to human applications. The extent of our work has been the development of a theoretical framework for the study of implantable electrodes. Our goal here has been to construct a model that could be used as a platform to better understand implanted electrode and compare their performance and possible improvement. We focused our work on intrafascicular electrode for the peripheral nervous system. However, our procedure could easily be applied to other type of interface. During this project we first constructed a detailed model of the recording biophysical process happening at the peripheral nerve electrical interface. This model encompasses all the mechanism known to influence the quality and shape of neural activity recordings. We have then recreated within our model specific controlled experiments and by comparing the properties of the simulated recording with their experimental counterparts demonstrated the potency of our approach to produce bio-plausible signals. This validated our model as an in silico alternative to compare and test electrodes. We then further developed this model to also simulate some of the changes happening in the nerve post implantation. In particular, we found that the growth of the fibrotic scar could already explain a large part of the signal degradation happening in the first weeks. Then to demonstrate the adaptability of this model we used it to compare the performance of the main type of electrodes implanted nowadays peripherally. Finally, as the main weakness of our model relied in its relative complexity and the related long computing time, we started to analyze how this model could be simplified without losing the precision necessary for the intended applications. In conclusion, this project led to the creation of a model which in its current form can be used as an in silico platform to test and compare electrodes. This will facilitate the planning and development of future peripheral neural interface by proving both more economical and informative that current strategies. Conjointly, we opened the way to future improvement of our model, leading to more practicality.