"Thèse en cotutelle, Doctorat en sciences pharmaceutiques; Université Laval, Québec, Philosophiæ doctor (Ph. D.), Canada et Université de Bordeaux, Talence, France." / La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur requis pour l'activité des enzymes responsables de la synthèse de la dopamine, la sérotonine et l'oxyde nitrique. Par conséquent, la BH4 est nécessaire au bon déroulement de nombreux processus physiologiques centraux et périphériques dont la neurotransmission, la réponse inflammatoire, la régulation du stress oxydatif, la fonction vasculaire et endothéliale et le métabolisme. Or la BH4 peut facilement être oxydée et dégradée. Ainsi des diminutions des niveaux centraux de BH4 ont été observées dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques à composante inflammatoire dont la maladie d'Alzheimer et la dépression majeure. La diminution des niveaux de BH4 dans ces pathologies pourrait participer à la survenue de symptômes et à l'aggravation de ceux-ci. Malgré ces observations, les effets d'une administration de BH4 sur la fonction cérébrale en condition physiologique et pathologique et les comportements en s'y rapportant restent largement inexplorés. L'objectif de cette thèse a été de caractériser les effets d'une administration de BH4 périphérique sur la neurobiologie et le comportement chez la souris. Nous nous sommes intéressés aux effets de BH4 sur le système dopaminergique mésolimbique et la motivation en condition physiologique et lors d'une inflammation aiguë. Puis, dans un second temps, nous avons exploré le potentiel thérapeutique de la BH4 dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Nous avons tout d'abord démontré que la BH4 traversait la barrière hémato-encéphalique et qu'une injection périphérique permettait d'augmenter les niveaux centraux de BH4. Nos travaux ont montré qu'en condition physiologique, l'administration de BH4 potentialise la libération de dopamine stimulée dans le nucleus accumbens et les comportements motivés. En condition de neuroinflammation aiguë induite par le LPS, l'administration de BH4 permet d'atténuer la neuroinflammation. Par conséquent, la BH4 pourrait avoir des effets bénéfiques dans le traitement des troubles motivationnels induits par l'inflammation. Dans notre deuxième étude, nous avons démontré que l'administration chronique de BH4 permet de corriger les déficits mnésiques observés dans le modèle murin triple transgénique de la maladie d'Alzheimer. Le traitement en BH4 induit également une diminution d'un marqueur inflammatoire ainsi qu'une amélioration de la tolérance au glucose. Cependant, ces améliorations mnésiques, métaboliques et inflammatoires ne s'accompagnent pas d'une diminution des pathologies amyloïde et tau. L'ensemble de ces travaux a permis une meilleure caractérisation des effets neurobiologiques et comportementaux de la BH4 et renforce son potentiel thérapeutique. / Tetrahydrobiopterin (BH4) is the required cofactor for the activity of the enzymes involved in the synthesis of dopamine, serotonin and nitric oxide. BH4 is therefore necessary for many central and peripheral physiological processes including neurotransmission, inflammatory response, oxidative stress regulation, vascular and endothelial function, and metabolism. However, BH4 is prone to oxidation and degradation, and decreased BH4 brain level has been observed in many neuropsychiatric diseases including Alzheimer's disease and major depression. Consequently, the decrease in BH4 levels in these pathologies could contribute to the onset and aggravation of symptoms. Despite these observations, the effects of BH4 administration on brain function and related physiological and pathological behavior remain largely unexplored. The aim of this thesis was to characterize the effects of peripheral BH4 administration on brain function and related behaviors. We investigated the effects of BH4 on the mesolimbic dopaminergic system and motivation in physiological condition and during acute inflammation. Then, we explored the therapeutic potential of BH4 in the treatment of Alzheimer's disease. We first demonstrated that BH4 crossed the blood-brain barrier and that a peripheral injection of BH4 increased its cerebral levels. Under physiological condition, administration of BH4 potentiates dopamine release into the nucleus accumbens and motivated behaviors. In acute LPS-induced neuroinflammation, administration of BH4 reduced neuroinflammation. Therefore, BH4 may have beneficial effects on dopaminergic disorders induced by inflammation. In our second study, we demonstrated that chronic administration of BH4 reversed memory deficits observed in the transgenic triple murine model of Alzheimer's disease. We also observed a decrease in neuroinflammatory marker and an improvement in glucose tolerance. However, these memory, metabolic and inflammatory improvements were not accompanied by a decrease in amyloid and tau pathologies. This work contributes to a better characterization of the neurobiological and behavioral effects of the BH4 and reinforces its therapeutic potential.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur requis pour l’activité des enzymes responsables de la synthèse de la dopamine, la sérotonine et l’oxyde nitrique. Par conséquent, la BH4 est nécessaire au bon déroulement de nombreux processus physiologiques centraux et périphériques dont la neurotransmission, la réponse inflammatoire, la régulation du stress oxydatif, la fonction vasculaire et endothéliale et le métabolisme. Or, de par sa structure chimique, la BH4 est une molécule facilement oxydable et dégradable, et des diminutions des niveaux centraux de BH4 ont été observées dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques à composante inflammatoire dont la maladie d’Alzheimer et la dépression majeure. Le déficit de BH4 apparait donc comme un mécanisme pouvant participer à l’étiologie de ces pathologies et en aggraver les symptômes. Malgré ces observations, les effets d’une administration de BH4 sur la neurophysiologie et les comportements en s’y rapportant restent largement inexplorés. L’objectif de cette thèse a donc été de caractériser les effets d’une administration périphérique de BH4 sur la fonction cérébrale et le comportement chez la souris. Nous nous sommes intéressés aux effets de BH4 sur le système dopaminergique mésolimbique et la motivation en condition physiologique puis en situation d’inflammation aigue. Dans un second temps, nous avons exploré le potentiel thérapeutique de la BH4 dans le traitement de la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord démontré que la BH4 traversait la barrière hémato-encéphalique et qu'une injection périphérique permettait d’augmenter les niveaux centraux de BH4. Nos travaux ont montré qu’en condition physiologique, l’administration de BH4 potentialise la libération de dopamine dans le nucleus accumbens et les comportements motivés. En condition de neuroinflammation aiguë induite par le LPS, l’administration de BH4 permet d’atténuer la neuroinflammation. Ces données suggèrent un potentiel bénéfique de la BH4 sur les troubles motivationnels induits par l’inflammation. Dans notre deuxième étude, nous avons démontré que l’administration chronique de BH4 permet de corriger les déficits mnésiques observés dans le modèle murin triple transgénique de la maladie d’Alzheimer. La supplémentation en BH4 induit également une diminution de la neuroinflammation ainsi qu’une amélioration de la tolérance au glucose. Cependant, ces améliorations mnésiques, métaboliques et inflammatoires ne s’accompagnent pas d’une diminution des pathologies amyloïde et tau.Ainsi, l’ensemble de ces travaux a permis une meilleure caractérisation des effets neurobiologiques et comportementaux de la BH4 et renforce son potentiel thérapeutique. / Tetrahydrobiopterin (BH4) is the required cofactor for the activity of the enzymes involved in the synthesis of dopamine, serotonin and nitric oxide. BH4 is therefore necessary for many central and peripheral physiological processes including neurotransmission, inflammatory response, oxidative stress regulation, vascular and endothelial function, and metabolism. However, BH4 can be easily oxidized and degraded and decreased BH4 brain levels has been observed in many neuropsychiatric diseases including Alzheimer's disease and major depression. Consequently, the decrease in BH4 levels in these pathologies could contribute to the onset and aggravation of symptoms. Despite these observations, the effects of BH4 administration on brain function and related behavior remain largely unexplored. The aim of this thesis was to characterize the effects of peripheral BH4 administration on brain function and behavior in mice. We investigated the effects of BH4 on the mesolimbic dopaminergic system and motivation in physiological condition and during acute inflammation. Then, we explored the therapeutic potential of BH4 in the treatment of Alzheimer's disease. We first demonstrated that BH4 crossed the blood-brain barrier and that a peripheral injection of BH4 increased its cerebral levels. Our results also showed that under physiological condition, BH4 administration potentiates dopamine release into the nucleus accumbens and motivated behaviors. In condition of acute LPS-induced neuroinflammation, BH4 administration helps to reduce neuroinflammation. Therefore, BH4 may have beneficial effects on dopaminergic and motivational disturbances induced by inflammation. In our second study, we demonstrated that chronic administration of BH4 reversed memory deficits observed in the transgenic triple murine model of Alzheimer's disease. We also observed a decrease in neuroinflammation and an improvement in glucose tolerance. However, these memory, metabolic and inflammatory improvements are not accompanied by a decrease in amyloid and tau pathologies. This work had contributed to a better characterization of the neurobiological and behavioral effects of the BH4 and reinforces its therapeutic potential.

Les erreurs innées du métabolisme sont des maladies héréditaires pouvant affecter, entre autres, la synthèse et le transport des neurotransmetteurs. Le diagnostic de ces pathologies repose essentiellement sur l’analyse par chromatographie d’un fluide biologique [plasma, urine, liquide céphalorachidien (LCR)]. L’objectif de cette thèse était de développer des méthodes simples et rapides pour le diagnostique des troubles de la neurotransmission. Dans un premier temps, nous avons développé et validé le dosage simultané, en moins de 10 minutes, des métabolites de la dopamine, de la sérotonine et de la tétrahydrobioptérine (BH4) par chromatographie liquide ultra-haute pression (UHPLC) couplée à une détection séquentielle électrochimique et fluorimétrique. Cette méthode a été appliquée à l’analyse de 1372 échantillons de LCR, permettant ainsi d’établir les valeurs fréquentes de la population française. Afin de transposer la méthode précédente en UHPLC couplée à la spectrométrie de masse (MS), nous avons étudié les mécanismes d’auto- et d’électro- oxydation de la BH4, par mobilité ionique différentielle couplée à la MS haute résolution (résonance cyclonique ionique FTICR) et à la photodissociation Infra-rouge. Ce travail nous a permis d’isoler et de caractériser pour la première fois la qBH2, intermédiaire réactionnel fugace de la BH4, impliqué dans le mécanisme d’action de cette dernière. La méthode UHPLC-MS/MS développée, permet en outre le dosage simultané du 5-Méthyl-tétrahydrofolate. / Inborn errors of metabolism are inherited diseases that can alter the synthesis and transport of neurotransmitters. The diagnosis of these conditions is currently based on the chromatographic analysis of a biological fluid [plasma, urine, cerebrospinal fluid (CSF)]. The aim of this thesis was to develop simple and rapid methods for the diagnosis of neurotransmitter disorders. Firstly, we developed and validated the simultaneous determination of dopamine, serotonin, and tetrahydrobiopterin (BH4) metabolites by ultrahigh pressure liquid chromatography (UHPLC) coupled to sequential electrochemical and fluorimetric detection. This method was applied to the analysis of 1372 CSF samples, thus establishing the frequent ranges of the French population. In order to transpose the previous method into UHPLC coupled to mass spectrometry (MS), we studied the mechanisms of auto- and electro- oxidation of BH4, by Differential Ion Mobility coupled to high resolution MS (FTICR) in conjunction with Infra-Red photo-dissociation. This work allowed us to isolate and characterize qBH2, the transient reaction intermediate of BH4, involved in the mechanism of action of the latter. The proposed UHPLC-MS/MS method also allows the simultaneous determination of 5-methyltetrahydrofolate.