Du fondamental à la clinique, cette thèse a été construite autour d’un seul mot clefs : KCC2, grâce à plusieurs projets collaboratifs. Ce co-transporteur d’ion est une molécule à plusieurs facettes dont la multiplicité des rôles et ses implications dans diverses pathologies font d’elle un élément clef de l’organisme vivant. En plus des études phylogénétiques et thérapeutiques effectuées au cours de cette période, mon principal travail a été de déterminer le rôle physio-pathologiques in vitro et in vivo d’un mécanisme de régulation post-traductionnelle de KCC2. Nous avons dans un premier temps montré que la déphosphorylation des Thréonines (Thr) 906 et 1007 in vitro était un puissant activateur de la protéine. En effet, nous avons montré que l’état de phosphorylation des sites dicté par la voie Wnk-Spak/OSR1 était impliqué dans le niveau d’expression en surface de la protéine. Par la suite, nous avons pu révéler que les souris porteuses d’une mutation phospho-mimétique Glu906 et Glu1007 “(KCC2E/+)” sur un allèle de la protéine, présentaient un décalage de l’émergence de la force inhibitrice GABAergique, une altération de la balance excitation/inhibition, ainsi qu’une augmentation de la susceptibilité à générer des crises. De plus, ces même souris développent des troubles de la communication chez le jeune ainsi qu’un défaut de sociabilité chez l’adulte, deux symptômes clefs des TSA. Ces résultats suggèrent que la régulation post-traductionnelle est un mécanisme physio-pathologique clef de la protéine. / From basic to clinical aspects, this thesis comprises different collaborative projects focusing on KCC2. KCC2 is a complex protein with multiple roles and implications in various pathologies that makes this molecule a key element of living organisms. In addition to the phylogenetic and therapeutic studies performed during this period, my main work has been to determine the in vitro and in vivo physio-pathological role of a KCC2 post-translational regulatory mechanism. We first showed in vitro that dephosphorylation of Threonines (Thr) 906 and 1007 was a potent activator of the protein. We have shown that phosphorylation state by the Wnk-Spak/OSR1 pathway of these two residues is implicated in the level surface expression of KCC2. Subsequently we have revealed that mice carrying in one allele a phospho-mimetic mutations Glu906 and Glu1007 “(KCC2E/+)”, preventing the developmental dephosphorylation at these sites, exhibited a delayed onset of fast synaptic GABA inhibition, a decreased ratio of spontaneous GABA- to glutamate-driven post-synaptic responses, and a significantly reduced flurothyl-induced seizure threshold. Furthermore, KCC2E/+ pups and adult mice, respectively, exhibited impaired communication and sociability, classic ASD phenotypes. These results suggest that post-translational regulation is a key physio-pathological mechanism of KCC2.

Les patients hospitalisés en réanimation présentent fréquemment des troubles neurologiques (troubles de la vigilance, troubles du sommeil, dysfonctions cognitives multiples, confusion mentale), psychologiques (anxiété, dépression, syndromes délirants), des syndromes douloureux et de l'inconfort. Ces troubles ont en commun : la problématique de leur définition et de leur reconnaissance par l'équipe de réanimation, leur expression fréquente par un comportement d'agitation, une association avec la réponse de stress post-agressive rencontrée au cours des pathologies traitées en réanimation. La physiopathologie de ces troubles est complexe, impliquant à la fois la pathologie qui a déterminé l'hospitalisation du patient en réanimation, ses antécédents médicaux, mais aussi la réanimation elle-même par les thérapeutiques invasives qui y sont utilisées, ainsi que la sédation médicamenteuse ou le coma artificiel. En outre, ces troubles peuvent être associés dans leur expression comme dans leur détermination, certain pouvant être cause ou conséquence d'un autre. L'objectif de cette thèse était de montrer qu'une prise en charge diagnostique et thérapeutique rationalisée de la douleur, des troubles neurologiques et psychologiques était associée à un meilleur pronostic du patient en réanimation. / Patients who are hospitalized in Intensive Care Units (ICU) develop frequent neurological disorders (vigilance disorders, sleep disorders, multiple cognitive disorders, delirium), psychological disorders (anxiety, depression, delusion), pain syndrom and discomfort. These disorders have jointly the problem of their definition and recognition by the ICU team, their frequent expression by an agitated behaviour, an association with the post-aggressive stress response affecting pathologies treated in the ICU setting. The physiopathology of these disorders is complex, implying both the pathology which had determined the admission of the patient to the ICU and his/her medical history, but also either the invasive therapeutics used by the intensive medicine and the administration of sedatives or therapeutic coma. Moreover, theses disorders can be associated either in their expression and their cause, some of them able to be a cause or a consequence of another. The objective of this thesis was to show that a rationalized diagnostic and therapeutic management of pain, neurological and psychological disorders was associated with a better outcome of the patient in the ICU.

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.

Les erreurs innées du métabolisme (EIM) constituent un large panel de désordres métaboliques héréditaires. Parmi les EIM, les anomalies de la neurotransmission peuvent affecter, entre autres, la synthèse ou le transport des neurotransmetteurs, notamment les amines biogènes (dopamine et sérotonine) et les folates. La reconnaissance de ces affections est d’une importance capitale pour le diagnostic et le traitement éventuel. L’analyse chimique du liquide céphalo-rachidien (LCR) est incontournable pour le diagnostic de ces pathologies. Or, les méthodes actuelles de dosage ne sont pas simples. Longues et fastidieuses, elles ont été, pendant longtemps, réservées aux laboratoires spécialisés. L’objectif de ce travail était de développer des méthodes simples et rapides de diagnostic des troubles de la neurotransmission et d’établir les valeurs normales fréquentes dans la population française. Le travail réalisé a permis, dans un premier temps, de développer une méthode de dosage directe, en une seule étape, de la tetrahydrobioptérine (BH4), cofacteur des hydroxylases intervenant dans la synthèse des amines biogènes, et des ptérines impliquées dans le cycle de synthèse et de dégradation de ce cofacteur, dans le LCR. Auparavant, le dosage de ces substances nécessitait au moins deux analyses chromatographiques précédées chacune d’une étape propre de préparation de l’échantillon. Par la suite, nous avons développé une méthode de diagnostic rapide, en moins de 10 minutes, par UHPLC (chromatographie liquide à ultra haute performance), couplée à une détection séquentielle par coulométrie et par fluorescence, des troubles dopaminergique et sérotoninergique. Cette méthode permet de doser simultanément, en une seule étape, tous les métabolites de la dopamine, de la sérotonine et de la noradrénaline, ainsi que les ptérines d’intérêt diagnostic, principalement la dihydroneoptérine (NH2) et la dihydrobioptérine (BH2). L’ensemble de ces explorations nécessitait, auparavant, la mise en œuvre d’au moins trois méthodes de dosage par HPLC (chromatographie liquide à haute performance), précédées chacune d’une étape propre de préparation de l’échantillon. Pour compléter l’exploration du métabolisme de la BH4 et du suivi thérapeutique des troubles de la neurotransmission, nous avons également proposé une méthode de dosage rapide, en une seule étape, par UHPLC, de tous les métabolites et de toutes les ptérines, incluant la BH4. Enfin, une méthode rapide de dosage (moins de 2 minutes), par UHPLC, du 5-méthyltetrahydrofolate dans le LCR a été développée, afin de compléter le diagnostic biologique de l’ensemble des troubles neurologiques visés. L’application des outils ainsi développés à plus de 1400 patients nous a permis d’établir des valeurs normales fréquentes dans la population française ainsi que de poser le diagnostic de quelques déficits enzymatiques. / Inborn errors of metabolism (IEM) consist of a wide range of hereditary metabolic disorders. Among IEM, neurotransmission anomaly can affect the synthesis or the transport of neurotransmitters, notably biogenic amines (dopamine and serotonin) and folates. Early diagnosis of such affections is of utmost importance especially as some of them can be treated effectively. Chemical analysis of cerebrospinal fluid (CSF) is essential for the diagnosis of neurotransmitter disorders; however, current quantitative methods are tedious and time consuming. For a long time the chemical diagnosis of neurotransmitter disorders has been available only in specialized laboratories. The purpose of this work was to develop simple and fast diagnosis methods of neurotransmitter disorders as well as to establish the reference values in French population. For this purpose, in a first step, we developed a single step direct method of simultaneous quantification of tetrahydrobiopterin (BH4), which is the main cofactor of the hydroxylases involved in biogenic amines syntheses, and the relevant reduced and oxidized forms of pterins involved in the cycle of synthesis – regeneration of BH4. Formerly, the quantification of those compounds required at least two chromatographic methods with two specific sample preparation procedures. Thereafter we developed a method of fast diagnosis in less than 10 minutes of dopaminergic and serotoninergic disorders using UHPLC (ultra high performance liquid chromatography) hyphenated to a sequential coulometric and fluorimetric detection. With only a simple filtration step as sample preparation procedure, this method enables the simultaneous quantification of all dopamine, serotonin and noradrenaline metabolites as well as dihydroneopterin (NH2) and dihydrobiopterin (BH2), the relevant pterin forms for the complete diagnosis. Formerly, at least three HPLC (high performance liquid chromatography) quantification methods preceeded by three tedious specific sample preparation procedures were required for such a diagnosis. To complete the investigation of BH4 metabolism and the follow up of neurotransmission disorders, we also developed a fast UHPLC method of simultaneous quantification of all the cited metabolites and pterins including BH4. In order to complete the rapid diagnosis of all targeted neurological disorders, we finally developed an UHPLC method of 5-methyltetrahydrofolate quantification in CSF. The application of these analytical tools in more than 1400 CSF samples, collected from patients followed in some Neurology centers located in several French areas covering nearly the entirety of the territory, allowed us to establish the reference values in French population as well as to diagnose several cases of enzymatic deficits.