LA calcification vasculaire (CV) est le dépôt pathologique de sels de phosphate de calcium, sous forme d'hydroxyapatite, dans la paroi artérielle. Cette CV contribue à la rigidité et au rétrécissement des artères et elle est amplifiée lors de l'insuffisance rénale chronique (IRC) suite à l'accumulation des toxines urémiques dans le sang et les tissus, telles que l'indoxyl sulfate (IS) et le phosphate (Pi). Or la paroi vasculaire est constituée, entre autres, de cellules endothéliales (CE), en contact direct avec le sang et les toxines urémiques, et de cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) responsables de la CV de par leur origine commune avec la cellule ostéoblastique. Des niveaux élevés d'IS et de Pi entraînent un dysfonctionnement des CE et la transdifférenciation ostéogénique des CMLV. Du fait de l'importance de la communication CE-CMLV dans la formation et la fonction des vaisseaux sanguins et son implication dans de nombreuses pathologies cardiovasculaires, nous nous sommes intéressés à étudier la contribution des CE dans les calcifications produites par les CMLV lors de l’IRC. Nous avons montré qu'une concentration élevée en Pi induit une calcification des CMLV en culture, que cet effet est plus important par l'ajout d'IS et qu'il est significativement amplifié en présence de milieu conditionné des CE préalablement exposées aux mêmes toxines. De façon intéressante, nous avons également montré pour la première fois que l'exposition des CE à Pi+IS entraîne une augmentation significative de l'expression et de la sécrétion d'Interleukine -8 (IL-8) et que celle-ci aggrave de façon concentration-dépendante la calcification des CMLV. Bien que l'IL-8 ne semble pas accentuer la transdifférenciation des CMLV induite par les toxines urémiques, elle empêche la synthèse et la sécrétion par les CMLV d'OPN, un inhibiteur puissant de calcification. De plus, le traitement des CMLV par un antagoniste des récepteurs de l'IL-8 permet de rétablir la synthèse d’OPN par les CMLV exposées à Pi+IS. Par ailleurs, nous avons confirmé à l'échelle tissulaire que Pi+IS induit une augmenation de la calcification des anneaux aortiques de rats isolés et stimule de façon significative l'expression des homologues chez le rat de l'IL-8. De façon intéressante, l'antagoniste des récepteurs de l'IL-8 prévient partiellement la calcification induite par Pi+IS, tout en favorisant l'induction de l'expression d'OPN. Aisni, notre travail suggère un nouveau rôle de l'IL-8 agissant en tant que médiateur impliqué dans l'interaction entre CE et CMLV au cours de la CV / Vascular calcification (VC) is the ectopic deposition of calcium minerals in the major arteries. This VC contributes to the stiffness and narrowing of the arteries, and is amplified during chronic kidney disease (CKD) due to the accumulation of uremic toxins in the blood and tissues, such as indoxyl sulfate (IS) and inorganic phosphate (Pi). The vascular wall consists, among others, of endothelial cells (EC) in direct contact with the blood and the uremic toxins, and of vascular smooth muscle cells (VSMC) responsible for VC due to their common development origin with the osteoblast: the mesenchymal stem cells. High levels of IS and Pi result in EC dysfunction, osteogenic switch of VSMC and subsequent VC. Because of the importance of EC-VSMC communication in the formation and function of blood vessels and its involvement in many cardiovascular diseases, we were interested in studying the contribution of EC in the calcifications produced by VSMC during CKD. First, we confirmed in a VSMC culture and in tissue model of rat aortic rings that a high concentration of Pi induces calcification and that this effect is potentiated by IS. Then we showed for the first time, that ECs exposed to Pi+IS secrete IL-8 which significantly aggravates the calcification of VSMC. Although IL-8 does not enhance the uremic toxins-mediated osteogenic switch of VSMC, it prevents the synthesis of OPN by VSMC, resulting in an undesirable imbalance between VC inducers and inhibitors. The IL-8 receptors antagonist unblocks the synthesis of OPN by VSMC in the uremic condition. In parallel, uremic toxins induce expression of IL-8 homologs in the rat aortic rings, and the IL-8 receptors antagonist partially prevents Pi+IS-induced calcification, while unblocking the expression of OPN. Our work suggests a novel role of IL-8 in promoting VC as a mediator of ECs- VSMCs interaction during uremic disease. Blocking IL-8 would thus be a new therapeutic approach for cardiovascular complications prevention in CKD

La maladie rénale chronique (MRC) est un problème majeur de santé publique du fait de l’augmentation constante de son incidence et des complications cardiovasculaires fréquemment rencontrées, de même que l’accumulation dans le sang des patients de molécules appelées toxines urémiques. Le but de cette thèse est de déterminer les potentielles associations entre certaines toxines urémiques et certaines techniques non-invasives avec les paramètres biochimiques et vasculaires, la mortalité globale et cardiovasculaire dans une cohorte de patients à différents stades de la MRC. Dans cette étude, nous avons démontré que les taux de chaînes légères libres (CLL), de sclérostine et de β2 microglobuline (β2M) étaient augmentés de manière précoce dans la MRC et culminaient chez les patients dialysés. Seuls les taux de β2M étaient indépendamment associés à la mortalité globale et cardiovasculaire dans notre cohorte et aux événements cardiovasculaires chez les pré-dialysés. De plus, nous avons démontré que la mesure des calcifications vasculaires (en particulier la mesure du score de calcifications coronaires), ajoutait une valeur prédictive de la mortalité globale et des événements cardiovasculaires, à la mesure des facteurs de risque traditionnels (âge, sexe, tabagisme, hypertension et taux de triglycérides).Malgré la taille relativement petite de notre cohorte, les études menées pour cette thèse ont permis de mettre en évidence des marqueurs des complications de la MRC, comme la β2M et la mesure des calcifications vasculaires. Ces marqueurs ajoutés en pratique de routine pourraient améliorer la prédiction du risque cardiovasculaire et de décès dans cette population / Chronic kidney disease (CKD) is a serious public health problem due to the constant increase of its incidence. In particular, CKD patients are at high risk of developing cardiovascular disease further the accumulation of molecules called uremic toxins. The purpose of this thesis was to evaluate risk markers of CKD complications in a cohort of patients at different CKD stages by evaluating some uremic toxins and some non-invasive techniques to determine their potential associations with vascular and biochemical parameters, global and cardiovascular mortality. In this study, we demonstrated that the kappa and lambda free light chain, sclerostin and β2 microglobulin (ß2M) levels were increased in early CKD stage and culminated in dialysis patients. Free light chain and sclerostin levels were associated with inflammation markers but not with vascular parameters. These levels appeared to be associated with mortality, but this association disappeared after adjustment for other factors. On the other side, we have demonstrated that the ß2M levels were independently associated with overall and cardiovascular mortality in our cohort and cardiovascular events in pre-dialysis patients. In addition, we demonstrated that the addition of vascular calcification scores (especially the coronary artery calcification score) to TRFs appears to improve CV risk assessment in a CKD population.This work identified several important markers of CKD complications, as ß2M and measurement of vascular calcification scores. The addition of these two markers in routine practice could improve the prediction of cardiovascular risk and mortality in this population

L'insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une importante morbidité et mortalité cardio-vasculaire, à laquelle participent l'inflammation chronique, le stress oxydant et la dysfonction endothéliale. Les toxines urémiques sont des solutés s'accumulant dans le sérum et les tissus des patients IRC. Parmi elles, les toxines urémiques liées aux protéines sont mal épurées par la dialyse, et ont une toxicité endothéliale démontrée in vitro. Nous avons démontré que l'indoxyl sulfate (IS), une toxine liée aux protéines, induit la production de radicaux oxygénés (ROS) par les cellules endothéliales en culture (HUVEC), par le biais de l'activation de la NADP(H) oxydase, et par une déplétion en glutathion intracellulaire. Ce stress oxydant était induit par des concentrations d'IS rencontrées dans le sérum des patients IRC. Les patients IRC ont un niveau élevé de microparticules endothéliales (MPE), marqueur d'activation et de lésion endothéliale, et un nombre diminué de progéniteurs endothéliaux circulants (PEC), qui représentent les capacités de réparation de l'endothélium lésé. Nous avons souhaité étudier si les toxines urémiques jouaient un rôle dans ce déséquilibre. Chez des patients hémodialysés (HD), nous avons démontré que le nombre de PEC CD34+/CD133+ était inversement corrélé aux taux de 3 toxines urémiques, l'indole-3-acétique acide (IAA, une toxine proche de l'IS) et la ß2 microglobuline. In vitro, l'IAA induit l'apoptose des progéniteurs CD133+, et cet effet est imbibé par l'ajout d'érythropoïétine (EPO) au milieu de culture. Le sérum urémique induit l'apoptose des PEC. Bien que le nombre des PEC soit diminué chez les patients HD par rapport aux contrôles, leur nombre est positivement corrélé à 2 marqueurs de lésion vasculaire : le nombre de MPE, et la rigidité artérielle évaluée par la vitesse de l'onde de pouls aortique. Cela suggère que les PEC restent mobilisables chez les patients HD, en réponse aux lésions vasculaires, peut-être en partie grâce à leur traitement par EPO. En conclusion, les toxines urémiques participent à la dysfonction endothéliale des patients IRC, en augmentant le stress oxydant endothélial et la libération de MPE, et réduisent les capacités de réparation endothéliale en diminuant la survie des PEC. / Chronic kidney disease (CKD) is associated with dramatically increased cardio-vascular morbidity and mortality. Not only do traditional risk factors explain this accelerated atherosclerosis, but also chronic inflammation, oxidative stress and endothelial dysfunction. Uremic toxins are solutes accumulating in serum and tissues of CKD patients. Among them, protein-bound uremic toxins are poorly removed by haemodialysis (HD), and have shown deleterious effects on cultured endothelial cells (HUVEC). We showed that indoxyl suphate (IS), a protein-bound toxin, induces reactive oxygen species production in HUVEC, through activation of NAD(P)H oxidase, and intracellular glutathione depletion. This induction of oxidative stress was observed for concentrations of IS found in CKD patients. CKD patients exhibit high levels of endothelial microparticles (EMP), a marker of endothelial lesion, and low levels of endothelial progenitor cells (EPC), originating from bone marrow and implied in endothelial repair. We asked whetehr uremic toxins could play a role in this imbalance. In HD patients, we showed that the number of CD34+/CD133+ EPC was inversely correlated with the serum levels of two uremic toxins, indole-3-acetic acid (IAA, a protein-bound uremic toxin close to IS) and ß2microglobulin. In vitro, IAA induced apoptosis of CD133+ cells, unless erythropoietin was added to the medium. Uremic serum induced EPC apoptosis. Although endothelial progenitor cell number was reduced in CKD patients compared to healthy controls, it was positively correlated with two markers of vascular lesion : the number of EMP in serum, and the pulse wave velocity reflecting arterial stifness. This suggests that EPC can be mobilized in the circulation upon vessel injury, in spite of uremic toxicity, and maybe thanks to erythropoietin treatment in HD patients. In conclusion, uremic toxins induce endothelial dysfunction, assessed by increased endothelial oxidative stress and shedding of EMP, and reduce regeneration capacities of endothelium. They are probably key actors in cardio-vascular risk of CKD patients.

Bien que l'insulino-résistance soit une caractéristique connue de la maladie rénale chronique (MRC), les mécanismes impliqués sont encore mal compris. Le p-crésol est un produit toxique généré par la transformation de la tyrosine par la flore bactérienne intestinale. Son sulfoconjugué, le p-crésyl sulfate (PCS) a été identifié comme le principal métabolite circulant du p-crésol chez l'homme et est considéré comme une importante toxine urémique liée aux protéines. En effet, les concentrations de PCS sont corrélées de façon indépendante à la morbi-mortalité cardiovasculaire présente chez les patients ayant une MRC. Le but de cette étude est de déterminer le rôle du PCS dans l'insulino-résistance associée à la MRC. L'administration chronique de PCS (10mg/kg, deux fois par jour pendant 4 semaines) chez des souris ayant une fonction rénale normale induit une insulino-résistance ainsi qu'une perte de masse grasse et une redistribution ectopique de lipides dans le muscle et le foie (lipotoxicité), ce qui est observé chez les souris ayant une MRC. Le PCS perturbe la signalisation de l'insuline dans les muscles squelettiques des souris par l'activation des kinases ERK 1/2. L'incubation in vitro de myotubes C2C12 avec du PCS à des concentrations retrouvées (40 μg/ml) chez les patients ayant une MRC terminale induit également une insulino-résistance par le biais d'une activation directe d’ERK1/2. Le traitement de souris urémiques avec un prébiotique (arabino-xylo-oligosaccharide, AXOS) qui diminue la production intestinale de p-crésol et donc la concentration de PCS dans le sérum, améliore significativement les paramètres métaboliques. Ces données suggèrent que le PCS participe à l'insulino-résistance associée à la MRC. Du fait d’une faible élimination par les techniques conventionnelles de dialyse, des thérapeutiques alternatives tels que les prébiotiques, diminuant la production de PCS, pourraient diminuer la mortalité cardio-vasculaire associée à la MRC / Although insulin resistance is a well-documented feature of chronic kidney disease (CKD), the underlying mechanisms remain poorly understood. p-cresol is a toxic by product generated by transformation of tyrosine by intestinal microbiota. Its conjugate p-cresyl sulfate (PCS) is identified as the main circulating metabolite of p-cresol and a major protein bound uremic toxin. PCS is independently associated with mortality and cardiovascular disease in CKD patients. The aim of this study was to determine the role of PCS in CKD-associated insulin-resistance. Chronic administration of PCS (10mg/kg, twice daily for 4 weeks) in mice with normal kidney function triggered insulin resistance, fat mass loss and ectopic lipid redistribution in muscle and liver (lipotoxicity) mimicking those associated to CKD. PCS mice revealed altered insulin signaling in skeletal muscle through ERK1/2 activation. Exposition of C2C12 myotubes to PCS at CKD-relevant concentrations (40 μg/ml) caused insulin resistance, also through a direct activation of ERK1/2. Mouse models of surgically induced renal failure displayed insulin resistance and dyslipidemia, and treatment with a prebiotic (arabino-xylo-oligosaccharide) reducing p-cresol intestinal production and thus serum PCS, prevented these metabolic defects. These data suggest that although PCS is poorly removed by the common dialysis techniques, alternative therapeutic such prebiotics ttargeting of PCS may prevent metabolic abnormalities associated to end-stage renal disease

L'insuffisance rénale chronique (IRC) est une affection caractérisée par une perte progressive de la fonction rénale. L’IRC est associée à l'accumulation de diverses toxines urémiques. Les toxines urémiques ou solutés de rétention de l'urémie sont des composés qui s'accumulent chez les patients atteints d'IRC en raison d'un défaut de clairance rénale et qui exercent des effets biologiques délétères. Les hémodialyses éliminent mal les toxines urémiques liées aux protéines (PBUT), en raison de leur liaison aux protéines plasmatiques, en particulier la sérumalbumine humaine. En conséquence, les toxines urémiques liées aux protéines s'accumulent chez les patients atteints d'IRC et leur concentration ne peut que difficilement être diminuée chez les patients atteints d'insuffisance rénale terminale (IRT). Mes travaux sont principalement centrés sur les toxines urémiques, en particulier les toxines urémiques liées aux protéines, comme l’indoxyl-sulfate (IS), l'acide phénylacétique (PAA) et le p-crésyl-glucuronide (p-CG); et la zinc-alpha2-glycoprotéine (ZAG) qui est une « middle molécule ». Nous avons étudié le rôle de l'IS dans le développement de la résistance à l'insuline et d'autres troubles métaboliques associés à l'IRC, ainsi que ses effets sur l'inflammation et le stress oxydant. Nous avons exploré les propriétés de liaison du PAA et du p-CG à la sérumalbumine, qui est la plus abondante protéine dans le plasma humain. Enfin, nous avons essayé de développer une nouvelle stratégie d'élimination des PBUT, à l’aide de déplaceurs/compétiteurs chimique. / Chronic kidney disease (CKD) is a condition characterized by progressive loss of kidney function. CKD is associated with the accumulation of various uremic toxins. Uremic toxins or uremic retention solutes are compounds that accumulate in patients with CKD due to impaired renal clearance and exert deleterious biological effects. Protein-bound uremic toxins (PBUT) is poorly removed by hemodialysis because of its binding to plasma proteins, particularly human serum albumin. As a result, protein-bound uremic toxins accumulate in patients with CKD and their concentration can hardly be reduced in patients with end-stage renal disease (ESRD). My work focuses mainly on uremic toxins, particularly protein-bound uremic toxins such as indoxyl-sulfate (IS), phenylacetic acid (PAA) and p-cresyl-glucuronide (p-CG); and zinc-alpha2-glycoprotein (ZAG) which is a "middle molecule". We investigated the role of IS in the development of insulin resistance and other metabolic disorders associated with CKD, as well as its effects on inflammation and oxidative stress. We have investigated the binding properties of PAA and p-CG to serum albumin, which is the most abundant protein in human plasma. Finally, we tried to develop a new strategy to eliminate PBUTs, using chemical displacers / competitors.

L’Insuffisance Rénale Chronique (IRC) résulte de la destruction progressive et irréversible des reins. Elle est associée à une rétention de toxines urémiques à l’origine des nombreuses complications de la maladie rénale chronique (cardiovasculaires, osseuses ou métaboliques). Nos travaux se sont focalisés sur l’impact de la dysfonction rénale et de l’urémie sur la fonction barrière de l’intestin et la motilité intestinale. Deux modèles d’IRC ont été implémentés : un modèle animal, chez la souris, par néphrectomie chimique (régime alimentaire enrichi en adénine) et un modèle cellulaire d’urémie en incubant des cellules coliques Caco-2 avec 10% de plasma de patients hémodialysés (HD). Le transit, la motilité, la perméabilité intestinale et la régulation des protéines des jonctions serrées ont été explorés. Les animaux urémiques présentent un transit gastro-intestinal ralenti et une perméabilité intestinale augmentée associés à une dérégulation de l’expression et de l’abondance des protéines des jonctions serrées dans le côlon (surexpression de la Claudine 1). La perméabilité de la monocouche cellulaire de Caco-2 incubées avec du plasma HD est significativement augmentée et est associée à une augmentation de l’expression et de l’abondance de la Claudine-1. En IRC, la motilité digestive et la fonction barrière de l’intestin sont significativement altérées. Ces dysfonctions pourraient contribuer à la production intestinale et l’absorption des toxines urémiques accélérant ainsi la progression du syndrome urémique et installant un véritable « cercle vicieux ». / Chronic Kidney Disease (CKD) result from a progressive kidney dysfunction. CKD is associated with an increase in the concentration of uremic toxins inducing CKD-associated metabolic alterations. Our work focused on the impact of renal dysfunction on gut permeability and gut motility. In vivo, CKD was induced in mice by chemical nephrectomy (adenine-enriched diet); In vitro, Caco-2 cells were incubated for 24h with 10% (v/v) of uremic plasma to mimic the uremic environment. Gastrointestinal transit time, gut motility, intestinal permeability and expression of tight junction proteins were explored. In vivo, kidney failure was associated with an impaired gastrointestinal transit and an increased intestinal permeability associated with a dysregulation of tight junction proteins (mainly claudine-1 overexpression). The Caco-2 monolayer permeability was significantly increased in cell monolayers incubated with uremic plasma. Claudine-1 expression and abundance was increased. In CKD, gut motility and gut permeability (e.g. « leaky » gut) are significantly impaired. Generally speaking, these gut dysfunctions could promote the production and the absorption of uremic toxins contributing to the uremic syndrom.