La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative qui se manifeste par un vaste répertoire de symptômes moteurs, cognitifs et psychiatriques. La pathologie est causée par une expansion anormale de la queue polyglutamine du gène huntingtine (HTT), qui code pour une protéine ubiquitaire du même nom, et qui possède différentes fonctions dans de nombreux processus cellulaires. La MH résulte de l'expression d'une forme mutée de la protéine huntingtine (mHTT), laquelle peut s'agréger et ainsi interférer avec les processus cellulaires conduisant à la dégénérescence des cellules. Une précédente étude a analysé les conséquences délétères de la présence de mHTT dans la barrière-hémato-encéphalique (BHE), une structure cellulaire localisée au niveau du réseau vasculaire cérébral qui empêche le passage de substances périphériques à l'intérieur du système nerveux central (SNC). Par conséquent, nous avons décidé d'explorer l'existence de déficiences similaires au niveau de la barrière entre sang et la moelle épinière, une structure similaire à la BHE, mais localisée dans le réseau vasculaire de la moelle épinière (blood-spinal cord barrier, BSCB). Nous avons d'abord analysé la distribution, la fréquence et la localisation spécifique des agrégats de mHTT dans des échantillons de moelle épinière provenant de patients MH et de contrôles sains. Ces analyses ont révélé la présence quasi-exclusive de la mHTT dans la substance grise de la moelle épinière. Nous avons par la suite mesuré l'impact de ces agrégats sur les composants protéiques de la BSCB. Notre analyse démontre une dérégulation significative de certaines protéines essentielles formant des jonctions serrées dans la barrière, causant possiblement le phénomène de perméabilité accrue de la BSCB observé chez les patients atteints de la MH. Des études précédentes ont conduit à la théorie selon laquelle la mHTT pourrait se comporter à la manière d'un prion, propageant ainsi la maladie dans le SNC. Nous avons validé cette théorie en utilisant trois approches différentes ; une in vitro et deux in vivo. Trois différents modèles cellulaires humains (SH-SY5Y, THP1, et iGABA) ont été traités avec des fibrilles synthétiques afin d'observer l'effet de fibrilles humaines exogènes de mHTT (Q48) et de huntingtine normale (HTT ; Q25). Nous avons observé que les fibrilles pouvaient être internalisées par ces cellules, induisant des changements morphologiques et de la mort cellulaire. De plus, des changements de niveaux de HTT ont été observés. Au cours des expériences in vivo, des souris adultes sauvages (WT) ont reçu une injection intra-corticale unilatérale de fibrilles synthétiques de fragments N-terminaux de (m)HTT (Q25 et Q48), alors que des souriceaux R6/2 et WT ont reçu une injection intraventriculaire bilatérale. Dans les deux protocoles, les injections de fibrilles Q48 ont conduit à des changements comportementaux et les analyses post-mortem ont révélé que ces fibrilles exogènes étaient capables d'induire et d'exacerber la pathologie. Ces résultats démontrent que la mHTT pourrait se comporter tel un prion, se propageant et aggravant la pathologie dans le SNC. De plus, la démonstration que la mHTT perturbe l'intégrité de la BSCB suggère que l'exacerbation de sa perméabilité pourrait être une route possible de la propagation de la mHTT. / Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder that results in a series of motor, cognitive, and psychiatric symptoms. The pathology is caused by abnormal expansion of the polyglutamine tract of the huntingtin gene (HTT), which encodes a ubiquitous protein named huntingtin, and has different functions in several cellular processes. HD results from the expression of a mutated form of the huntingtin protein (mHTT) that forms protein aggregates and disrupts these cellular processes causing neurodegeneration. A previous study analyzed the deleterious consequence of the presence of mHTT on the blood-brain barrier (BBB), a cellular structure located in the brain vasculature that prevents the passage of peripheral substances into the central nervous system (CNS). Therefore, we decided to explore the existence of similar impairments in the blood-spinal cord barrier (BSCB), a structure similar to the BBB, but located in the spinal cord vasculature. To begin with, we analyzed the anatomical distribution, frequency, and specific location of mHTT aggregates in spinal cord samples from HD and healthy control human samples, revealing an almost exclusive presence of mHTT within the grey matter of the spinal cord. We then measured HD impact on the spinal cord vasculature and BSCB permeability. Our analysis showed an increase of the small blood vessel density and the presence of features related to BSCB leakage, such as diffusion of fibrinogen in the surrounding parenchyma and peripheral cells infiltration. Moreover, the measure of the levels of the protein components of the BSCB revealed a downregulation of some essential proteins forming tight junctions in the barrier that is the likely cause of the increased BSCB permeability that we observed in HD patients. Previous studies led to the theory that mHTT might behave in a prion-like fashion spreading and seeding the disease throughout the CNS. We validated this theory using three different approaches; one in vitro and two in vivo. Three different human cell lines (SH-SY5Y, THP1, and iGABA neurons) were treated with synthetic fibrils to observe the effect of exogenous human fibrillar mHTT (Q48) and huntingtin (HTT) (Q25). We observed that the fibrils could be taken up by these cells, subsequently inducing cellular morphological changes and apoptosis. Moreover, changes in HTT levels and sequestration of endogenous HTT within pathological inclusion bodies were observed suggesting a prion-like behavior by mHTT. Subsequently, in in vivo experiments, wild type (WT) adult mice were administered an intracortical unilateral injection of synthetic fibrillar N-terminal fragments of mHTT (Q25 and Q48), while R6/2 and WT pups received a bilateral intraventricular injection. In both protocols, the Q48 injections resulted in behavioral changes and the appearance of features HD-related. The post-mortem analysis revealed that the exogenous fibrils were able to spread through the brain inducing and exacerbating the pathology in both animal models. These results demonstrate that mHTT might behave in a prion-like fashion, spreading and exacerbating the disease throughout the CNS. Moreover, the demonstration that mHTT disrupts the integrity of the BSCB suggests that the increased permeability could be a route of mHTT propagation.

Les microangiopathies cérébrales regroupent une large variété de maladies de petits vaisseaux dont l'étiologie diffère, mais dont l'une des principales caractéristiques est la neurodégénérescence et le déclin cognitif accompagnés par une activation de la réponse inflammatoire. Les microangiopathies cérébrales sont à l'origine des microlésions qui participeraient à la démence vasculaire (DVa) et dont la prévalence augmente dans la maladie d'Alzheimer (MA). Les démences affectent particulièrement les femmes et malheureusement, il n'existe aucun traitement curatif. L'inflammation associée aux microangiopathies cérébrales engage l'activation des microglies et le recrutement de monocytes. Ces derniers se divisent en deux sous-types, les monocytes classiques qui sont activement retrouvés au niveau des sites inflammés et contribuent à la réponse inflammatoire et les monocytes non-classiques impliqués dans le maintien de l'homéostasie vasculaire. Le rôle des monocytes non-classiques dans la pathogenèse des microangiopathies cérébrales reste cependant inconnu. Ainsi, nous postulons que les microangiopathies cérébrales modulent la cascade neurodégénérative en régulant l'inflammation et les fonctions neurovasculaires dépendamment du sexe biologique. Nous avons développé trois objectifs majeurs, à savoir l'impact des microinfarctus associés aux microangiopathies cérébrales sur l'amyloïdopathie de la MA ainsi que le rôle des monocytes non-classiques dans deux types de microangiopathies cérébrales soit les microangiopathies cérébrales sporadiques et l'angiopathie amyloïde cérébrale (AAC) associée à la MA. Bien que plusieurs études aient montré la présence de microlésions associées aux microangiopathies cérébrales dans la MA aucune ne permet de mettre en évidence une corrélation entre les deux pathologies ce qui fait donc l'objet de notre première étude. C'est pourquoi nous avons induit dans un premier temps des microinfarctus chez des souris transgéniques APP/PS1 mâles et femelles âgés de 5 mois, un âge qui représente le stade précoce de la pathologie amyloïde s'apparentant à la MA chez ces souris, et évalué l'impact sur l'amyloïdopathie, la cognition, le débit sanguin cérébral, l'inflammation et l'expression de Dickkopf-1 (DKK1) à l'aide de techniques variées. Nos résultats indiquent que l'amyloïdopathie de la MA et les microinfarctus associés aux microangiopathies cérébrales évoluent en parallèle. En effet, l'induction des microinfarctus chez les souris APP/PS1 ne développant que l'amyloïdopathie, via l'obstruction des artérioles cérébrales pénétrantes par des microemboles, réduit le dépôt d'amyloïde β (Aβ) chez les deux sexes étudiés. Ceci pourrait être le résultat de l'activation et du recrutement de cellules inflammatoires, microglies et monocytes non-classiques, retrouvées au niveau des plaques d'Aβ et des sites lésionnels associés aux microinfarctus. De plus, le blocage des artérioles perforantes impacte différemment le débit sanguin cérébral chez les deux sexes, dont sa régulation optimale est essentielle au bon fonctionnement cérébral. En effet, les mâles présentent une hypoperfusion en phase aiguë et une hyperperfusion en phase chronique après microlésions, ce qui montre une dérégulation à long terme du débit sanguin cérébral. Ceci pourrait participer aux déficits cognitifs rapides et prolongés observés. Au contraire, les femelles présentent une hypoperfusion en phase aiguë qui se normalise en phase chronique ce qui montre une dérégulation transitoire du débit sanguin cérébral et expliquerait en partie le recouvrement des capacités cognitives. D'autre part, l'expression de DKK1, une protéine jouant un rôle central dans la MA et les ischémies, est fortement induite au niveau des sites lésionnels dans le cerveau des souris mâles APP/PS1, tandis que son expression était réduite chez les femelles. Cette différence d'expression résulterait en un déclin cognitif rapide et prolongé chez les mâles et un déclin lent et transitoire chez les femelles, puisque DKK1 est une protéine inhibitrice de la voie canonique Wnt impliquée dans le maintien des fonctions cérébrales. Nos résultats suggèrent que les microinfarctus multifocaux aggravent le déclin cognitif associée à l'amyloïdopathie de la MA chez les jeunes mâles comparativement aux jeunes femelles qui sont protégées, probablement par les hormones sexuelles féminines indépendamment de la déposition de l'Aβ via la modulation du couplage neurovasculaire, de la réponse inflammatoire et de l'expression de DKK1 qui est physiologiquement réprimée par les œstrogènes. Le rôle des monocytes non-classiques retrouvés aux sites lésionnels après microangiopathies cérébrales reste méconnu et a fait l'objet des deux études suivantes. Nos investigations ont été menées sur des souris chimériques qui nous permettent de suivre les monocytes dérivés de la moelle osseuse grâce à l'expression d'un gène rapporteur, green fluorescent protein (GFP) et de manipuler leurs fonctions. Nos résultats indiquent que la dérégulation des fonctions des monocytes non-classiques exacerbe le dysfonctionnement neurovasculaire après microangiopathies cérébrales. Toutefois, leur stimulation en utilisant le muramyl dipeptide (MDP) qui est un agent immunomodulatoire synthétique, améliore les fonctions neuronales en préservant l'intégrité microvasculaire, permettant ainsi le recouvrement des capacités mnésiques. Ceci démontre que la stimulation des monocytes non-classiques pourrait être une avenue thérapeutique à explorer pour le traitement des microangiopathies cérébrales. Dans ce sens, la troisième étude dans cette thèse visait à étudier le rôle des monocytes non-classiques dans la modulation de l'AAC associée à la MA chez la souris APP/PS1. En effet, dans cette étude nous résultats montrent que la stimulation des monocytes non-classiques avec l'ARA290 qui est un analogue non-érythropoïétique durant les stades précoces de l'amyloïdopathie associée à la MA réduit l'AAC ainsi que le dépôt d'Aβ dans le parenchyme du cerveau des souris APP/PS1. Ceci a été accompagné par une amélioration des capacités cognitives des souris associée à une augmentation de la fréquence des monocytes non-classiques dans la circulation sanguine. En utilisant l'imagerie intravitale, nous avons démontré que les monocytes non-classiques sont impliqués dans l'élimination des microagrégats vasculaires d'Aβ. La déplétion spécifique des monocytes non-classiques en utilisant des souris chimériques a atténué les effets bénéfiques du ARA290. Ensemble, ces résultats nous communiquent de nouvelles informations quant au rôle des interactions immunovasculaires après microangiopathies cérébrales dans la pathobiologie et le traitement des démences. / Cerebral microangiopathies include a wide variety of diseases of the small vessels whose etiology differs, but one of their main characteristics is neurodegeneration and cognitive decline accompanied by an activation of the inflammatory response. Cerebral microangiopathies are at the origin of the microlesions that contribute to vascular dementia (VaD) and whose prevalence increases in Alzheimer's disease (AD). Dementia particularly affects women and unfortunately, there is no curative treatment. Inflammation associated with cerebral microangiopathies includes activation of microglia and recruitment of monocytes. The latter are divided into two subtypes, classical monocytes which are actively found at the inflamed sites, actively contributing to the inflammatory response, and non-classical monocytes involved in the maintenance of vascular homeostasis. The role of non-classical monocytes in the pathobiology and therapy of cerebral microangiopathies remains unknown. Thus, we postulate that cerebral microangiopathies modulate the neurodegenerative cascade by regulating inflammation and neurovascular functions depending upon the biological sex. We have developed three major objectives, namely the impact of microinfarctions associated with cerebral microangiopathies on amyloid-β (Aβ) pathology in AD as well as the role of non-classical monocytes in two types of cerebral microangiopathies, the sporadic cerebral microangiopathies and cerebral amyloid angiopathy (CAA) associated with AD. Although several studies have outlined the presence of microlesions associated with cerebral microangiopathies in AD, none allows assessing the correlation between the two pathologies, which is therefore the subject of our first study. For this purpose, we induced first microinfarcts in 5-month-old male and female APP/PS1 transgenic mice, an age representing the early stage of AD-like pathology in these mice, and evaluated the impact on Aβ pathology, cognition, cerebral blood flow (CBF), inflammation, and Dickkopf-1 (DKK1) expression using of various techniques. Our results indicate that Aβ pathology and microinfarcts associated with cerebral microangiopathies evolve in parallel. Indeed, the induction of microinfarcts in APP/PS1 mice developing only Aβ pathology, via the obstruction of penetrating cerebral arterioles by microemboli, attenuates Aβ deposition in both sexes studied. This could be the result of the activation and recruitment of inflammatory cells, microglia and non-classical monocytes, found at the level of Aβ plaques and lesion sites associated with microinfarctions. In addition, blockage of perforating arterioles impacts differently the CBF in the two sexes, whose optimal regulation is essential for cerebral functions. Indeed, males exhibit acute-phase hypoperfusion and chronic-phase hyperperfusion after microlesions, indicating long-term deregulation of the CBF. This could contribute to the rapid and prolonged cognitive deficits observed. In contrast, female mice exhibit hypoperfusion in the acute phase that normalizes in the chronic phase, outlining a transient deregulation of the CBF and would partly explain the recovery of cognitive abilities. On the other hand, the expression of DKK1, a protein playing a central role in AD and ischemic injury, is strongly induced at the lesion sites in the brain of male APP/ PS1, while its expression was reduced in females. This difference in expression would result in a prolonged cognitive decline in males and a slow and transient decline in females, as DKK1 is an inhibitor of the canonical Wnt pathway involved in maintaining cerebral functions. Our results suggest that multifocal microinfarcts worsen cognitive decline associated with amyloid Aβ pathology in AD in young males compared to young females who are protected, probably by female sex hormones independently of amyloid deposition via modulation of neurovascular coupling, inflammation, and expression of DKK1 that is physiologically repressed by estrogens. The role of non-classical monocytes found at the lesion sites after cerebral microangiopathy remains unknown and was the subject of the two following studies. Our investigations were carried out in chimeric mice which allow tracking monocytes derived from the bone marrow through the expression of a reporter gene, green fluorescent protein (GFP) and to manipulate their functions. Our results indicate that deregulation of the function of non-classical monocytes exacerbates neurovascular dysfunction following cerebral microangiopathies. However, their stimulation using muramyl dipeptide (MDP), which is a synthetic immunomodulatory agent, improves neuronal functions by preserving microvascular integrity, thus allowing the recovery of memory capacities. This demonstrates that stimulation of non-classical monocytes could be a therapeutic avenue to explore for the treatment of cerebral microangiopathies. In this direction, the third study in this thesis aims to investigate the role of non-classical monocytes in the modulation of CAA associated with AD in APP/PS1 mice. Indeed, in this study our results show that stimulation of non-classical monocytes using ARA290 that is a non-erythropoietic analogue during the early stages of Aβ pathology in AD, reduces CAA as well as Aβ deposition in the brain parenchyma of APP/PS1 mice. This was accompanied by an improved cognitive capacity of APP/PS1 mice associated with an increased frequency of non-classical monocytes in the blood circulation. Using intravital imaging, we demonstrated that non-classical monocytes are involved in the clearance of vascular Aβ microaggregates. Specific depletion of non-classical monocytes using chimeric mice attenuated the beneficial effects of ARA290. Together, these results allow us to provide new insights into the role of immune-vascular interactions after cerebral microangiopathies in the pathobiology and treatment of dementia.

La translation vers la clinique de nouveaux médicaments anti-cancéreux peut échouer à différentes étapes, notamment lors du passage des modèles animaux à l'humain. Pour améliorer la prédictibilité des tests précliniques, de nouveaux modèles in vitro humains recréant le microenvironnement tumoral sont nécessaires. Dans le cadre du mélanome cutané, les vaisseaux sanguins et lymphatiques dermiques sont des composantes essentielles à la progression tumorale, tout comme les cellules immunitaires. Nous avons émis l'hypothèse qu'il est possible de microvasculariser des substituts cutanés avec des capillaires sanguins et lymphatiques, puis d'appliquer ce contexte tissulaire à la modélisation du mélanome. Notre modèle, basé sur la méthode d'auto-assemblage, est constitué, dans un premier temps, de fibroblastes, de cellules endothéliales microvasculaires humaines et de kératinocytes. Deux types de réseaux ont été observés dans les substituts cutanés en coupe et sur tissu entier. Ils présentent des morphologies distinctes et sont caractérisés par des marquages CD31 (pan-endothéliale) et podoplanine (spécifique aux cellules lymphatiques). La capacité des cellules endothéliales à former des réseaux en fonction de leur origine, cellules de nouveau-né ou d'adulte, a été évaluée. Il a également été confirmé que la présence d'un épiderme formé de kératinocytes influe sur la formation des réseaux de capillaires sanguins et lymphatiques. Les peaux doublement microvascularisées ont permis l'étude du mélanome dans un microenvironnement humain in vitro. Ce modèle a été formé en ajoutant des sphéroïdes de mélanome aux substituts cutanés (6 lignées). Une fois incorporées dans le microenvironnement cutané, les tumeurs répondent à un traitement chronique (12 jours) au vemurafenib de façon dose-dépendante (diminution de la prolifération des cellules de mélanome et augmentation significative de l'apoptose). Par la suite, des cellules immunitaires humaines primaires (dérivées du sang périphérique) ont été incorporées dans la tumeur ainsi que dans le tissu environnant, résultant notamment en la présence de monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), lymphocytes CD8+ et cellules HLA-DR+. Ces tissus avec ou sans cellules immunitaires ont été stimulés avec du lipopolysaccharide (LPS), menant à une modification de la proportion des sous-populations immunes présentes dans le modèle. Ce modèle humain répondant à des thérapies anti-cancéreuses et pouvant contenir une composante immunitaire est un outil prometteur pour l'étude du mélanome ainsi que pour l'évaluation de futures molécules en oncologie, incluant des immunothérapies. / Clinical translation of new oncology compounds can fail at different stages, including the translation from animal to human studies. To improve the predictability of preclinical testing, new in vitro human models mimicking the tumor microenvironment are needed. In skin melanoma, blood and lymphatic capillaries are key features of tumor progression, as well as immune cells. We hypothesize that it is possible to microvascularize skin substitutes with both blood and lymphatic capillaries in order to use these tissues to model and study melanoma in vitro. Our self-assembled model was produced using primary human fibroblasts, microvascular endothelial cells and keratinocytes. Two subtypes of capillary networks were present in the reconstructed skin as observed after labeling on cryosections and whole mount samples. Their morphology differs, and they were characterized by immunostaining against CD31 (pan-endothelial) and podoplanin (lymphatic endothelial cells). The ability of endothelial cells from newborn or adult to form networks was assessed. It was also confirmed that the keratinocytes can affect the capillary networks, formed by blood and lymphatic endothelial cells. The microvascularized reconstructed skin allowed to study melanoma in a human microenvironment in vitro. The melanoma model was produced by adding melanoma spheroids to the skin substitutes (with 6 melanoma cell lines). After tumor incorporation in the 3D model, it was treated chronically (12 days) with vemurafenib and displayed a dose-dependent response (significant decrease of proliferation and increase of apoptosis). The last step was to incorporate human primary blood-derived immune cells in the tumor and in the surrounding skin, leading to the presence for example monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), CD8+ lymphocytes and HLA-DR+ cells. The different tissues were stimulated with LPS, leading to a modification of immune cell subpopulations in the model (with 4 different donors and 2 melanoma cell lines). This human melanoma model which responds to a known therapy and can include an immune component is a promising tool to study melanoma and to test new therapeutic compounds, including immunotherapies.

Recréer des tissus en laboratoire pour remplacer ou améliorer la fonctionnalité d’un organe défaillant, ou créer un tissu modèle pour tester de nouveaux médicaments comme alternative aux expérimentations animales, n’est plus aujourd’hui du domaine de la science fiction. L’ingénierie tissulaire vasculaire s’appuie sur la capacité des cellules à régénérer un néo-tissu lorsque placées dans des conditions de culture appropriées. Face au manque de vaisseaux sanguins autologues lors de pontages coronariens ou périphériques, elle apporte un nouvel espoir de plus en plus concret quant à la création de substituts en laboratoire pour le remplacement de vaisseaux sanguins de petit diamètre (< 6 mm). L’approche adoptée dans le cadre de cette thèse consiste à utiliser une protéine naturelle, le collagène, comme support de la croissance des cellules vasculaires, acteurs majeurs de la régénération tissulaire. Cependant, en dépit des grandes performances biologiques du collagène (reconstitué en laboratoire), son utilisation est limitée par un manque de propriétés mécaniques. L’objectif de cette thèse est de renforcer les structures de collagène supportant les cellules, afin de pouvoir soumettre ces dernières à des stimulations mécaniques et biochimiques requises pour la maturation du tissu en croissance et appliquées dans un bioréacteur "dynamique". Dans un contexte où aucune norme de caractérisation mécanique des hydrogels n’existe, cette thèse a permis de définir les conditions les plus appropriées pour évaluer les comportement mécanique et viscoélastique des échafaudages de collagène seuls : ils doivent être testés dans un environnement pseudo-physiologique (bain de PBS à 37°C) sans préconditionnement mécanique, et mesurés en relaxation de contrainte, qui permet notamment d’accéder au module élastique, paramètre important lorsqu’un matériau subit des sollicitations mécaniques cycliques. Par la suite, et après avoir montré les effets modérés d’un agent de réticulation physique (exposition aux UVs), le développement d’un bioréacteur dit « statique » a permis de mettre en évidence le fort potentiel des cellules musculaires lisses à renforcer les structures tubulaires de collagène lors d’une période de culture statique. Les résultats des techniques de caractérisation mécanique spécifiquement développées et des techniques d’imagerie microscopique montrent qu’à l’issue de cette culture la réorganisation des cellules ainsi que des fibrilles de collagène s’accompagnent d’un remarquable renforcement mécanique et viscoélastique de la construction artérielle, prête à être placée dans un bioréacteur dynamique. Dans la perspective de la régénération tissulaire, outre l’importance de la relation structure-propriété et des interactions cellulesmatrice extracellulaire, ce projet souligne le rôle primordial de la culture en conditions statiques avant la culture dans un bioréacteur dynamique. / Designing biological tissues in laboratory in order to replace or improve the functionality of a failing organ, or create a tissue which could be a model to test new medicinal formulations as alternative to animal experiments, is no longer a dream and is worth being considered. Tissue engineering is based on the ability of cells to regenerate a neo-tissue when cultured in adequate culture conditions. To address the lack of autologous blood vessels for peripheral or coronary bypass, vascular tissue engineering brings new hopes in creating substitutes in vitro in order to replace small diameter blood vessels (< 6 mm). The scientific approach of this thesis work consists in using a natural protein, collagen, as a scaffold to make the vascular cells proliferate. The main objective of this thesis is to reinforce the collagen structures supporting cells, in order to be able to mechanically and biochemically stimulate them during the maturation of the growing tissue in a "dynamic" bioreactor. It is noteworthy to point out that there is no standard method to mechanically characterize hydrogels. This thesis work managed to define the most adequate conditions to estimate the mechanical and the viscoelastic properties of collagen scaffolds: they must be tested in a pseudo-physiological environment (PBS bath at 37°C) without mechanical preconditioning and measured in stress relaxation, which gives the elastic modulus, an important parameter to consider when a material is subjected to cyclic mechanical stimulation. Then, after having shown relative effects of a physical reticulation agent (UVs exposure), the development of a "static" bioreactor showed the high potential of smooth muscle cells to reinforce the tubular collagen structure during a static culture period. The results of the mechanical characterization techniques specifically developed for this project, and microscopic imaging techniques, show that at the end of this culture period, the reorganization of the cells and of the collagen fibrils leads to a noteworthy mechanical and viscoelastic reinforcement of the vascular construct, mature enough to be put in place in a dynamic bioreactor. In the perspective of tissue regeneration, and considering the importance of the structure-properties relations and cells-extracellular matrix interactions, this thesis project establishes the important role of the static culture period preceding the culture period in the dynamic bioreactor.

La méthode d'auto-assemblage développée dans notre laboratoire a permis de mettre au point une prothèse vasculaire de faible diamètre composée uniquement de cellules humaines. Cette prothèse possède plusieurs caractéristiques propres aux vaisseaux sanguins natifs. Un des rôles principaux des vaisseaux sanguins est la régulation du tonus musculaire par la contraction et la relaxation suite à l'action de différentes hormones. La technique d'auto-assemblage permet la reconstruction de chacune des différentes tuniques du vaisseau indépendamment les unes des autres. La modulation du tonus vasculaire médiée par les cellules musculaires lisses de la média a pu tout d'abord être évaluée. L'endothéline est le vasopresseur le plus puissant connu à ce jour et est impliquée dans la régulation du tonus musculaire et de la résistance périphérique. La présence d'un système endothélinergique fonctionnel sur la média de la prothèse vasculaire a été étudiée. Les résultats montrent que la média de cette prothèse possède un système endothélinergique fonctionnel et identique à celui retrouvé dans le tissu d'origine des cellules prélevées pour reconstruire la prothèse vasculaire. De plus, suite à ces résultats, différentes prothèses vasculaires possédant une expression différentielle des récepteurs aux endothélines ont été créées. Le rôle de l'adventice dans la régulation du tonus vasculaire n'est pas bien établi. Par la technique d'auto-assemblage, une média, une adventice et une media+une adventice ont pu être reconstruites afin d'étudier l'implication de l'adventice dans la vasoréactivité du vaisseau sanguin. Les résultats montrent une implication directe de l'adventice dans la réponse vasoactive du vaisseau. De plus, un nouveau modèle pharmacologique d'adventice a été créé. Ainsi, la technique d'auto-assemblage constitue un substitut vasculaire fonctionnel de choix pour la recherche fondamentale et pharmacologique.

OBJECTIF: L'administration d'érythropoïétine recombinante humaine (EPO) en insuffisance rénale chronique (IRC) corrige l'anémie, mais augmente la pression artérielle (PA). Par contre, l'EPO n'a pas d'effet sur la PA en conditions normales. L'effet presseur de l'EPO en IRC est associé à une augmentation de la production d'endothéline-1 (ET-1) et à une baisse de l'expression du récepteur ETB. L'activation ETB par l'ET-1 conduit à une vasodilatation in vivo. Cette étude vise à évaluer l'effet de l'EPO sur la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB chez les rats normaux et urémiques. MÉTHODES: Les rats Wistar sont divisés en deux groupes et reçoivent, pendant trois semaines, par voie s.c, soit le véhicule (saline 0,9%) ou soit l'EPO (100 U/kg). La réponse hémodynamique de la pression artérielle in vivo à l'ET-1 est mesurée par l'artère carotidienne. L'ET-l, l'IRL-1620, un agoniste sélectif des récepteurs ETB. et les antagonistes ETA, le BQ-123, et ETB, le A192621, sont administrés par la veine jugulaire. RÉSULTATS: Les animaux normaux et urémiques qui reçoivent l'EPO ont un hématocrite plus élevé, mais ce traitement augmente seulement la PA des animaux urémiques. L'injection d'ET-1 induit une forte réponse hypotensive transitoire, suivie d'une réponse hypertensive prolongée. Cette réponse hypotensive est augmentée chez les animaux urémiques traités à l'EPO, un phénomène qui n'est pas observé chez les animaux normaux recevant l'rhEPO. L'IRL-1620 produit un effet vasodilatateur similaire à l'ET-1 sans causer d'hypertension. Cet effet vasodilatateur induit par l'IRL-1620 est augmenté chez les animaux normaux et urémiques traités à l'EPO comparativement aux animaux recevant le véhicule. Cependant, nous avons démontré par analyse de type Western que le taux d'enzyme eNOS est diminuée chez les animaux urémiques traités à l'EPO. CONCLUSION : Nos résultats indiquent que l'EPO module de façon différente la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB chez les rats normaux et urémiques. Les changements de la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB pourraient expliquer l'effet hypertenseur provoqué par l'EPO en IRC.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Ce présent projet de maîtrise porte sur l'étude du couplage neurovasculaire, soit la relation entre l'activité neuronale et la dilatation/constriction des vaisseaux sanguins, car une dysfonction dans le couplage neurovasculaire est une des caractéristiques de certaines pathologies cérébrales telles que la maladie d'Alzheimer, l'hypertension intracrânienne et l'AVC ischémique, mais aucune technique d'imagerie existe pour mesurer l'activité neuronale et l'oxygénation vasculaire cérébrale simultanément et indépendamment. Ce projet de recherche a pour buts principaux de développer un modèle animal de souris et un protocole d'imagerie pour étudier le couplage neurovasculaire in vivo injectées d'un adénovirus associé (AAV) à l'aide d'un microscope 2-photons. Cette modalité d'imagerie, permet d'exciter et d'imager des structures fluorescentes à haute résolution spatiale. Cette méthode de microscopie a l'avantage de produire des images contenant l'information venant uniquement du plan focal, et de permettre une plus grande profondeur de pénétration par rapport aux autres techniques de microscopie standards. Dans ce projet, un modèle animal a été développé et optimisé pour exprimer la protéine fluorescente GCaMP6s dans le corps cellulaire des neurones excitateurs et inhibiteurs chez des souris adultes. Ce modèle animal exprime aussi le fluorophore Texas Red qui est un marqueur de plasma sanguin. Les paramètres du microscope 2-photons ont été déterminés pour imager et mesurer l'activité neuronale ainsi que pour imager la vasculature cérébrale simultanément et indépendamment dans le cortex somatosensoriel qui est relié aux mouvements des moustaches. Les mesures acquises démontrent que cette technique d'imagerie et ce modèle animal permettent d'obtenir de l'information sur l'activité neuronale avec et sans stimulation sur des souris anesthésiées ou éveillées. Les stimulations externes appliquées à la souris imagée sont des bouffées d'air envoyées sur les moustaches d'un côté du museau de la souris. Des images de la structure vasculaire ont été obtenues avec le faisceau gaussien du microscope 2-photons, mais aussi avec le faisceau de Bessel qui permet d'acquérir des images volumiques. L'étude du couplage neurovasculaire de ce modèle animal a été faite au microscope 2-photons en corrélant l'intensité des signaux émis par GCaMP6s et par Texas Red. De plus, la microscopie à champ large a été exploitée pour quantifier l'hémodynamique dans l'ensemble du cortex, puis ainsi vérifier la corrélation entre l'oxygénation du sang et l'activité neuronale. Finalement, la possibilité de mesurer le débit sanguin au microscope 2-photons et de détecter l'activité neuronale au microscope à champ large a été évaluée. / This present master's project focuses on the study of neurovascular coupling, i.e. the relationship between neuronal activity and the dilation/constriction of blood vessels, because a dysfunction in neurovascular coupling is one of the characteristics of certain cerebral pathologies like Alzheimer's disease, intracranial hypertension and ischemic stroke, but no imaging technique exists to measure neuronal activity and cerebral vascular oxygenation simultaneously and independently. The main goals of this research project are to develop an animal mouse model injected with an associated adenovirus (AAV) and an imaging protocol to study neurovascular coupling in vivo using 2-photon microscopy. This imaging modality makes it possible to excite and image fluorescent structures at high spatial resolution. This method of microscopy has the advantage of producing images containing information coming only from the focal plane, and of allowing a greater depth of penetration compared to other standard microscopy techniques. In this project, an animal model was developed and optimized to express the fluorescent protein GCaMP6s in the cell body of excitatory and inhibitory neurons in adult mice. This animal model also expresses the Texas Red fluorophore which is a blood plasma marker. The parameters of the 2-photon microscope were determined to image and measure neuronal activity as well as to image the cerebral vasculature simultaneously and independently in the somatosensory cortex which is connected to the movements of the whiskers. The measurements acquired demonstrate that this imaging technique and this animal model make it possible to obtain information on neuronal activity with and without stimulation in anesthetized or awake mice. The external stimuli applied to the imaged mouse are puffs of air delivered to the whiskers on one side of the mouse's muzzle. Images of the vascular structure were obtained with the Gaussian beam of the 2-photon microscope, but also with the Bessel beam which makes it possible to acquire volumetric images. The study of the neurovascular coupling of this animal model was made under a 2-photon microscope by correlating the intensity of the signals emitted by GCaMP6s and by Texas Red. In addition, wide-field microscopy has been used to quantify hemodynamics throughout the cortex, and thus verify the correlation between blood oxygenation and neuronal activity. Finally, the possibility of measuring blood flow under a 2-photon microscope and detecting neuronal activity under a wide-field microscope was evaluated.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La media vasculaire est au coeur des processus physiopathologiques qui entraînent le développement de l’athérosclérose. L’utilisation d’une media reconstruite par génie tissulaire permet d’étudier les cellules musculaires lisses (CML) humaines dans un environnement plus physiologique que les cellules en culture monocouche. Les travaux présentés dans cette thèse sont orientés autour de la media vasculaire reconstruite par génie tissulaire comme modèle d’étude pharmacologique et prothèse vasculaire autologue. La première partie des travaux porte sur l’étude des interactions de cette tunique avec les microparticules (MP) circulantes. D’abord, nous avons montré que la présence de l’adventice modifie la réponse de la media aux MP produites in vitro à partir des lymphocytes T. Ensuite, l’étude de l’effet des MP isolées du sérum de patients en choc septique sur la media humaine a démontré que ces MP sont en mesure d’augmenter la contraction de la media par un mécanisme impliquant une diminution du NO et une augmentation de l’expression de l’ARN messager de l’interleukine-10. L’incubation de la media reconstruite avec cette cytokine anti-inflammatoire bloque l’hyporéactivité induite par les lipopolysaccharides. Le même phénomène a été reproduit in vivo, chez le rongeur. Ces résultats suggèrent que les SMP auraient un effet protecteur sur la fonction vasculaire, en potentialisant la contraction de la media. Ensuite, nous avons optimisé l’approche de reconstruction de prothèses vasculaires par auto-assemblage proposée initialement pour l’adapter au contexte particulier des CML. L’objectif principal était de permettre l’étude physiopathologique de la media à partir de toutes les lignées de CML; indépendamment de leur capacité de synthèse de matrice extracellulaire. Pour ce faire, nous avons développé un échafaudage de matrice extracellulaire produit par auto-assemblage à partir de fibroblastes humains. L’utilisation de cet échafaudage génère une media plus résistante et plus contractile que la technique initiale. Enfin, une anisotropie a été créée dans cet échafaudage pour permettre une orientation physiologique des CML. La media reconstruite devient ainsi plus résistante et plus contractile. Ces améliorations permettent de reconstruire des media à partir des cellules de plus de patients et mèneront à des études pharmacologiques plus représentatives de la population. Cet échafaudage facilitera la translation clinique de ce modèle de media reconstruite par génie tissulaire. / The pathological processes that result in the development of atherosclerostic lesions take place in the vascular media layer. This condition is responsible for half of cardiovascular associated fatalities. The development of a tissue-engineered blood vessel can contribute to the in vitro study of the human media in a 3-dimensional environment. This blood vessel can also be used as a prosthesis for arterial bypasses. The work presented here focus on the reconstructed vascular media as a pharmacological model and a potential vascular substitute. The vascular media reconstructed by self-assembly was used to study the interactions between this layer and circulating microparticles (MPs). We demonstrated that the adventitia layer can influence the response of the media to T-Lymphocytes derived MPs. Next, we investigated the influence of MPs isolated from whole blood of septic shock patients (SMPs), on the human engineered media. This study demonstrated that the SMPs decrease nitric oxide (NO) production and increase interleukin-10 (IL-10) messenger RNA in the media layer. Incubation of reconstructed media with this anti-inflammatory cytokine blocks the hyporeactivity induced by lipopolysaccharides. This finding was confirmed in vivo, in rodents. Therefore, the elevation of MP levels in sepsis is potentially probeneficial to the cardiovascular function in this pathology. We then investigated the feasibility of improving the reconstructed media in order to facilitate the physiopathological studies of this layer and improve the potential of a smooth muscle cell (SMC)-containing substitutes to be implanted in human. Therefore, the self-assembly approach was used to generate an extracellular matrix (ECM) scaffold, produced in vitro by fibroblasts, in which SMCs can be seeded. After a week of culture in a decellularised matrix scaffold, the SMC-containing sheets were rolled around a mandrel to form a media layer. This engineered media demonstrated an increase mechanical resistance and contractility as compared with the original technique. Finally, we created an anisotropic ECM scaffold that can direct the orientation of SMCs to reproduce the physiological orientation of that layer. Reconstructed media produced using those anisotropic scaffolds were more resistant and contractile than the ones reconstructed using isotropic scaffolds. These improvements will facilitate the reconstruction of a media layer using pathological cells from patients and could lead to more representative pharmacological study of this layer. Moreover, this scaffold will facilitate the clinical translation of the model from bench to bedside.

Le besoin de substituts pour vaisseaux sanguins de petit calibre a attiré une attention considérable sur le développement de constructions artérielles dans des bioréacteurs à partir de systèmes d’échafaudage. Les gels formés à partir de collagène reconstitué représentent des substrats idéaux pour le remodelage du à l’activité cellulaire, mais leur faible résistance et élasticité limitent leur utilisation comme échafaudages pour la régénération du tissu vasculaire. Ces caractéristiques proviennent de la perte d’organisation structurelle liée au processus d’extraction du collagène. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet était d’améliorer les propriétés mécaniques des gels de collagène afin de supporter la croissance et la maturation du tissu vasculaire sous contrainte cyclique. En considérant l’importance de l’état d’agrégation du collagène pour les propriétés mécaniques des tissus natifs, la stratégie de ce projet a été de modifier la microstructure des matrices de collagène reconstitué en agissant sur trois aspects : 1) les interactions intermoléculaires et la fibrillogenèse ont été ajustées en variant les paramètres expérimentaux (pH, température, force ionique et concentration du collagène); 2) des liaisons covalentes ont été introduites afin de fixer des fibrilles voisines; 3) les gels ont été compactés et les fibrilles alignées grâce à l’action de remodelage des cellules. Des mesures de spectrophotométrie et des images par MEB ont confirmé les effets des conditions expérimentales et du remodelage sur la microstructure des gels. Notamment, la présence des cellules a permis la formation de matrices plus compactes et orientées, surtout en présence de contraintes mécaniques. Des essais mécaniques ont démontré que les stratégies adoptées ont engendré le renforcement de la structure. En particulier, des essais cycliques ont établi que la variation des conditions expérimentales combinée à la réticulation ont produit des matrices dont l’hystérèse diminue et l’élasticité augmente. En conclusion, l’ensemble de ces études a permis la réalisation à court terme (24-48 h) de structures à base de collagène présentant une résistance mécanique, une rigidité et une élasticité accrues. Ces résultats suggèrent que ces matrices sont de bons candidats comme supports pour la régénération de tissus vasculaires sous conditionnement cyclique. / The need for small-caliber vascular replacements has attracted considerable attention on the development of scaffold-based vascular constructs in bioreactors. Reconstituted collagen gels represent ideal substrates for cell-mediated remodeling, but their low strength and low elasticity, limits their application as scaffold for the regeneration of the vascular tissue. These features result from collagen extraction and the consequent loss of structural organization. The objective of this project was to improve the mechanical performances of collagen gels in order to support the growth and the maturation of the vascular tissue under cyclic conditioning. Considering how fundamental collagen assembly is for the mechanical behavior of native tissues, the microstructure of reconstituted collagen lattices was modified by working on three aspects: 1) The intermolecular interactions and the aggregation of collagen monomers were tailored by modulating the experimental conditions, including pH, temperature, ionic strength and collagen concentration; 2) Inter-fibril crosslinking was carried out in order to fix neighboring collagen fibrils through their reactive side chains; 3) Gels were compacted and fibrils were aligned through cell-mediated remodeling. Spectrophotometric analyses and SEM confirmed the effects of changes in experimental conditions and cell-mediated remodeling on collagen gels microstructure. Notably, the presence of SMCs lead to tighter and highly oriented lattices, moreover in the presence of mechanical constraints. Mechanical tests showed that the adopted procedures contributed to the stiffening of collagen lattices. In particular, the modulation of the experimental conditions combined with crosslinking lead to lattices presenting lower hysteresis and higher elasticity as shown by cyclic tests. In conclusion, this study produced, in a short time (24-48 h), collagen gel-based lattices with improved stiffness, strength, and elastic recoil. The results suggest that these lattices are serious candidates for the role of temporary supports during the maturation period under cyclic loading.

Les recherches sur le cerveau portent fréquemment sur ses réseaux fonctionnels internes. Cela implique l'évaluation de la connectivité fonctionnelle (CF), qui est la corrélation statistique entre les activités neuronales dans diverses régions cérébrales. L'une des techniques les plus utilisées pour mesurer la connectivité fonctionnelle est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette technique repose sur le principe qu'une activité neuronale accrue dans une région cérébrale spécifique entraîne généralement une augmentation du flux sanguin cérébral dans la même région. Cette augmentation du flux sanguin cause l'élévation des niveaux d'oxygène relatifs du cerveau, ce sont ces changements qui sont mesurés par l'IRMf. Cependant, il est connu que la relation entre l'activité neuronale locale et les changements subséquents dans le flux sanguin cérébral est complexe. Une meilleure compréhension de cette relation pourrait influencer l'interprétation des données de connectivité fonctionnelle issues de l'IRMf. Dans ce travail, la relation entre la connectivité fonctionnelle mesurée par IRMf de repos et la variabilité dans la structure vasculaire régionale du cerveau est étudiée. Cela est effectué en utilisant des données publiques disponibles sur la structure vasculaire entière du cerveau de la souris. La variabilité de la structure vasculaire cérébrale est évaluée à l'aide d'une métrique appelée similarité vasculaire. Ensuite, la relation entre la variabilité de la structure vasculaire et la CF est quantifiée en utilisant des modèles de régression linéaire multiple de la connectivité fonctionnelle. Ces modèles incorporent la similarité vasculaire aux côtés de prédicteurs de la CF couramment utilisés issus de la connectivité structurelle et de la topologie spatiale. Ces modèles révèlent que la variabilité de la microstructure vasculaire explique une quantité significative de la variance de la CF mesurée par IRMf de repos, et ce, autant dans des ensembles de données de connectivité fonctionnelle femelle que mâle. / The study of the brain frequently focuses on its intrinsic functional networks. This involves evaluating the functional connectivity (FC), which is the statistical correlation between neuronal activities in various brain regions. One of the most widely used techniques to measure functional connectivity is functional magnetic resonance imaging (fMRI). This technique relies on the principle that increased neuronal activity in a specific brain region typically leads to a rise in cerebral blood flow in the same region. Subsequently, this increased blood flow elevates the relative oxygen levels in the brain's blood, which is detected by the fMRI. However, it is known that the relationship between the local neuronal activity and subsequent changes in cerebral blood flow is complex. A better comprehension of this relationship could influence the interpretation of functional connectivity data arising from fMRI. In this study, the relation of resting-state fMRI functional connectivity and the variability in regional brain vasculature is investigated. This is done by using publicly available whole-brain vasculature data of the mouse brain. The variability of the brain vasculature is assessed using a metric called vascular similarity. Then the relationship between the variability of the brain vasculature and the FC is quantified using multiple linear regression models of functional connectivity. These models incorporate vascular similarity alongside commonly used metrics of FC derived from structural connectivity and spatial topology. These models reveal that microvascular structure variability explains a significant amount of variance in the FC measured by resting-state fMRI in both female and male FC datasets.