Des études récentes ont montré que les produits de glycation avancée (AGE) pouvaient jouer un rôle dans la pathogénèse des troubles vasculaires en insuffisance rénale. Nous avons alors émis l’hypothèse que l’augmentation de la concentration des AGE observé dans le cas d’insuffisance rénale joue un rôle important dans la pathogenèse de l’hypertension artérielle, entre autres, en aggravant la dysfonction endothéliale et les dommages vasculaires. De plus, nous croyions que les effets des AGE sur la dysfonction endothéliale sont causés par l’activation des récepteurs RAGE sur les cellules vasculaires. Pour vérifier ces hypothèses nous avons étudié dans un premier temps l’effet du S100b, un agoniste des récepteurs des AGE (RAGE), sur la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium au carbachol et la réponse vasoconstrictrice à la phényléphrine et l’ET-1 sur des segments d’aorte de rats in vitro montés dans des bains à organe, et, dans un deuxième temps, l’effet du S100b sur la fonction endothéliale, notamment l’expression de la NO synthase endothéliale (eNOS) et la production des radicaux libres de l’oxygène (ROS). Les résultats obtenus indiquent que le S100b induit une diminution de la réponse vasorelaxante dépendante du NO au carbachol. Par contre, le S100b entraine une augmentation de la réponse vasoconstrictrice à la phényléphrine. Ce dernier effet n’est pas modifié dans les vaisseaux dénudés de l’endothélium, ni l’inhibition de la production de NO dans les vaisseaux intacts. L’effet du S100b est néanmoins atténué en présence d’indométacine, un inhibiteur de la cyclo-oxygénase, suggérant que l’activation des RAGE module la production de certaines eicosanoides. Enfin, le S100b induit une diminution de la réponse vasoconstrictrice à l’ET-1 qui est bloquée en présence de L-NAME, un inhibiteur de la production de NO. Ces derniers résultats indiquent que l’effet du S100b sur la réponse vasoconstrictrice à l’ET-1 dépend de la relâche de NO. Par ailleurs les résultats obtenus sur des segments d’aorte de rats et des cellules endothéliales en culture indiquent que le S100b n’affecte pas la production de ROS dans les segments d’aorte, bien qu’il stimule leur production dans les cellules endothéliales isolées. Par contre, le S100b tend à augmenter l’expression de la eNOS dans l’endothélium des vaisseaux en culture. En conclusion, la stimulation des RAGE avec le S100b affecte la réponse aux agents vasoconstricteurs et vasodilatateurs sur des segments d’aorte de rats normaux de façon dépendante et, possiblement, indépendante de l’endothélium. Ces effets seraient causés, en partie, par la modulation de la relâche de NO et de l’expression de la eNOS, ainsi que par la production d’eicosanoides et de ROS et, possiblement, l’activation du système endothélinergique. Ainsi, les AGE peuvent affecter le tonus vasculaire en modifiant la fonction endothéliale. / Recent studies suggest that advanced glycation end products (AGEs) could play an important role in vascular pathogenesis in kidney disease. We hypothesized that increased AGEs concentrations in kidney disease play an important role in the pathogenesis of arterial hypertension, by increasing endothelial dysfunction and vascular damages. Furthermore, we believe that the effects of AGEs on endothelial dysfunction are caused by the activation of AGEs receptors (RAGE) on vascular cells. To test this hypothesis, we studied first the effect of S100b, an AGEs receptor agonist, on the endothelium dependent vasodilatation response to carbachol and the vasoconstriction response to phenylephrine and ET-1 on rats thoracic aorta segments in vitro placed in organ bath, and, secondly, the effect of S100b on the endothelial function, especially the expression of endothelial NO synthase (eNOS) and the production of reactive oxygen species (ROS). Our results indicate that S100b induces a decrease in the NO dependent vasodilatation response to carbachol, but an increase in the vasoconstriction response to phenylephrine. This effect of S100b on phenylephrine response is not modified in vessels without endothelium, nor following the inhibition of the NO production in intact vessels. The effect of S100b is however decreased with indometacine, a cyclooxygenase inhibitor, suggesting that RAGE activation modulates the production of eicosanoids. Finally, S100b induces a decrease in the vasoconstriction response to ET-1 that is blocked in presence of L-NAME, a NO production inhibitor. These results indicate that the effect of S100b on the vasoconstriction response to ET-1 is dependent on NO release. In addition, results obtained on cultured rat aorta segments and endothelial cells indicate that S100b does not affect the production of ROS althouch it stimulates their production in isolated endothelial cells. Otherwise, S100b tend to increase the expression of eNOS in the endothelium of cultured vessels. In conclusion, the stimulation of RAGE by S100b affects the response to vasoconstrictors and vasodilators agents on intact rat thoracic aorta segments in an endothelium dependant and, possibly, independent manner. These effects may be related, in part, to the modulation of NO release and eNOS expression, the production of eicosanoids and ROS, and, possibly, the activation of the endothelinergic system. Thus, AGEs could affect vascular tone through the modulation of the endothelial function.

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.

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.

Toward the objective to create or to replace impaired tissues, it is essential to establish a culture process allowing tissue growth in vitro . The Petri dish culture or the traditional 2D culture has only a limited potential, mainly caused by a poor oxygen mass transfer to feed larger tissue constructs. In this project, an autonomous and complete bioprocess has been built to fullfill these needs. The developed reactor is versatile because many cell culture chamber designs can be connected to it. Two proportional-integral algorithms (PI) can control the dissolved oxygen concentration and the pH. The pressure, the temperature and mass flow rate are recorded in real time. An actuator allows mimicking the cardiac output flow. In this mémoire , it will be demonstrated how the reactor has been optimized to reduce the risk of bioburden. Also, the procedures to develop the control tools of the PI algorithm will be detailed. To characterize the reactor, a RTD study will be presented. To characterize the cell culture chamber, a permeability analysis using fluorescent microscopy and magnetic resonance imaging (MRI) will be exposed. Finally, two cell culture chamber designs to orient microvessel formation have been tested and these results will be presented.

Lorsque des vaisseaux autologues ne sont pas disponibles pour faire un pontage, des greffons synthétiques sont utilisés mais avec des taux d’échec élevés. En effet, malgré leurs bonnes propriétés mécaniques, la surface synthétique de ces greffons entraîne de la thrombose et de l’hyperplasie intimale ayant pour conséquence une mauvaise perméabilité du substitut à long terme pour de nombreuses applications. Par ingénierie tissulaire, des greffons vasculaires entièrement biologiques et humains ont déjà été produits par roulage de feuillets de matrice extracellulaire synthétisée par des fibroblastes dermiques humains in vitro. Grâce à une nouvelle méthode d’assemblage basée sur une approche textile, des greffons ont été produits trois fois plus rapidement. Pour ce faire, le feuillet a été découpé en fils afin de permettre la construction d’un substitut vasculaire par tissage. Cette thèse comporte trois articles. Le premier visait à montrer la composition riche de la matrice, décrire l’organisation de son réseau complexe de collagènes et démontrer que la dévitalisation par séchage de la matrice n’a pas affecté significativement cette organisation. Le deuxième avait pour but de décrire les propriétés mécaniques des fils en fonction du torsadage et/ou de l’âge de la matrice ainsi que l’effet sur la force de différents traitements nécessaires au processus de fabrication. Les différentes applications de l’approche textile dans la construction de structures complexes ainsi que les propriétés mécaniques des substituts tissés ont également été évaluées. Le troisième article a montré la faible réponse inflammatoire ainsi que le potentiel d’intégration et de remodelage de la matrice in vivo. Par ailleurs, la décellularisation n’a pas montré de résultats supérieurs à la dévitalisation, permettant ainsi de s’affranchir d’une étape de fabrication supplémentaire et potentiellement délétère à l’organisation biologique de cette matrice. En conclusion, cette thèse constitue la première démonstration de la fabrication de textiles humains mécaniquement très forts mais sans utilisation de matériel exogène. La dévitalisation couplée à l’approche textile ont permis de créer un modèle allogénique plus simple, plus rapide et moins coûteux mais avec un potentiel d’intégration in vivo intact. Ce modèle sera très prochainement étudié par implantation à long terme dans la circulation sanguine. / When autologous blood vessels are not available for bypass surgery, synthetic grafts are used but display high failure rates. Indeed, despite their good mechanical properties, their synthetic surface lead to thrombosis and intimal hyperplasia, which cause poor long-term patency in many applications. Using tissue engineering, completely biological and human vascular grafts have been produced by rolling sheets of extracellular matrix synthesized by dermal human fibroblasts in vitro. Using a new assembly technique based on a textile approach, grafts were produced three-time faster. To do so, sheets were cut into yarns to construct vascular substitute by weaving. This manuscript includes three articles. The first one aimed at showing the rich composition of the matrix, describing the organization of its complex network of collagens and demonstrating that the devitalization by drying the matrix did not significantly affect this organization. The second one described the mechanical properties of the yarns depending on the twisting, matrix age or different treatments useful for the manufacturing process. It also demonstrated some of the assembly techniques possible with this human yarn, as well as its possible use as a suture or to build a vascular graft. The third article showed the survival of the yarns subcutaneously implanted for 6 month in nude rats. The implants created little inflammatory response, were mildly remodeled and kept a significant mechanical strength. Decellularization did not show results improvement compared to the simple devitalization, demonstrating that the remaining cellular fragments were not a meaningful activator of the innate immune system. To conclude, this thesis is the first demonstration of the production of human textiles, without using any exogenous material and that are mechanically very strong. Both the devitalization and the textile approach have allowed to create a simpler allogeneic model, faster and cheaper but with an intact potential of integration in vivo, that will be studied very soon with a long-term implantation of the textile in the bloodstream.

Les microglies sont des cellules hématogène mais prennent place dans le système nerveux central (SNC) au cours du développement embryonnaire pour constituer la population résidente des cellules immunitaires. Elles sont les médiateurs crucials du bon développement et de l'entretien des réseaux de neurones dans le SNC. De nombreux aspects de la physiologie microgliale et les mécanismes qui sous-tendent leurs fonctions au cours du développement embryonnaire du cerveau sont encore largement méconnues. Cette thèse de doctorat porte sur la migration des cellules microgliales au cours du développement embryonnaire du cortex et elle débouche sur trois grandes conclusions. (1) Les cellules microgliales embryonnaires in situ sont très dynamiques et adaptent leur phénotype à leur environnement local. (2) La vitesse de migration des microglies ex vivo dépend des intégrines beta1 qui exercent des fonctions à la fois inhibitrices et promotrices sur la migration selon l'âge embryonnaire. (3) Les microglies jouent probablement un rôle dans l'étiologie des troubles du développement neurologique, mais il faudrait que les futures recherches se concentrent sur le dysfonctionnement des microglies plutôt que sur leur activation immunitaire classique. / Microglia are blood-borne cells but take up residence in the central nervous system (CNS) during embryonic development to constitute the resident pool of immune cells. They are crucial mediators of the healthy development and maintenance of neural networks in the CNS. Many aspects of the physiology of microglia and the mechanisms underpinning their tasks during embryonic brain development are still unresolved. This doctoral dissertation focuses on migration of microglial cells during embryonic cortical development. All together, this dissertation brings forwards three major conclusions. (1) In situ embryonic microglia are highly dynamic cells that adapt their phenotype to their local environment. (2) Microglial migration speed ex vivo is dependent on β1 integrins that exert both migration promoting and inhibiting functions which are age-specifically regulated. (3) Microglia likely play a role in the etiology of neurodevelopmental disorders, but further research should focus on microglia dysfunction rather than classical microglial immune activation.

L’objectif du vaste projet de recherche dans lequel s’inscrit ce mémoire est de guérir le diabète de type 1 en fabriquant un pancréas bioartificiel vascularisé contenant des cellules bêta (i.e. les cellules sécrétant l’insuline). Ce dispositif permettrait de rendre aux personnes atteintes par le diabète de type 1 la capacité de sécréter par elles-mêmes de l’insuline et de réguler leur glycémie. La vascularisation est actuellement un enjeu de taille dans le domaine du génie tissulaire. La plupart des tissus incorporant des cellules générées par le génie tissulaire sont actuellement fortement limités en épaisseur faute d’être vascularisés adéquatement. Pour les tissus dont l’épaisseur dépasse 400 μm, la vascularisation est nécessaire à la survie de la plupart des cellules qui autrement souffriraient d’hypoxie, les empêchant ainsi d’accomplir leurs fonctions [1]. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la vascularisation d’un pancréas bioartificiel. Ce dispositif a été développé au laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D ainsi qu’au bureau de design du département de génie mécanique de l’Université Laval. Grâce à cette technique d’impression 3D novatrice et à la caractérisation du procédé, il est maintenant possible de produire rapidement et avec précision des structures temporaires en sucre vitrifié pour la fabrication de réseaux vasculaires tridimensionnels complexes. Les structures temporaires peuvent, après leur production, être utilisées pour réaliser le moulage rapide de constructions vascularisées avec des matériaux tels que du polydiméthylsiloxane (PDMS) ou des hydrogels chargés de cellules biologiques. De par la nature du matériel utilisé, les moules temporaires peuvent être facilement et rapidement dissous dans une solution aqueuse et laisser place à un réseau de canaux creux sans créer de rejets toxiques, ce qui représente un avantage majeur dans un contexte de bio-ingénierie. / The overall goal of this broad research project, within which this master project took place, is to cure type 1 diabetes. We aim to produce a vascularized bioartificial pancreas that would be made of beta cells embedded in a hydrogel (i.e. insulin secreting cells). This organ would restore to type 1 diabetics the self-capacity to secrete insulin, thus to control in real time their glycaemia. Vascularization is currently a major issue in the field of tissue engineering. Most tissues produced by TE are limited in thickness due to the lack of adequate vasculature. To engineer a tissue thicker than 400 μm, vascularization is mandatory for most of the cells to survive [1]. The lack of adequate vascularization leads to hypoxia and hinders cells to fulfill their functions. This thesis presents the development and the commissioning of a 3D sugar glass extrusion apparatus for the vascularization of a bioartificial pancreas. This apparatus was developed at the “laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D” and at the “bureau de design” in the mechanical engineering department of Université Laval. With this pioneering 3D printing technology, it is now possible to rapidly and precisely produce temporary sugar glass template that can then be used to produce complex 3D vascular networks. After the printing process, the temporary template is used as a mold for the rapid casting of vascularized constructs made with materials such as polydimethylsiloxane (PDMS) or cellladen hydrogels. Due to the nature of the material used, the temporary lattices can be dissolved in an aqueous medium without releasing any cytotoxic byproducts and in a fast and easy fashion. This feature is a major advantage in the context of bioengineering.

Une réduction du débit sanguin lors d'activités physiques de haute intensité limite de façon importante l'oxygénation musculaire et a donc un impact majeur sur la performance dans plusieurs disciplines sportives. Bien que la consommation de polyphenols augmente de façon aigiie la vasodilatation artérielle chez des individus sédentaires, on ignore si cette vasodilatation se produit aussi chez les athlètes. La question qui sera développée dans ce mémoire est de savoir si la consommation de polyphenols améliore la vasodilatation médiée par le débit sanguin (FMD) et la performance à l'effort chez des athlètes de haut niveau. Les résultats de cette étude démontrent que la consommation d'une boisson riche en polyphenols améliore de façon aigiie la fonction endothéliale d'athlètes telle que mesurée par la FMD. Bien qu'une formulation riche en polyphenols ne modifie pas la performance lorsque consommée de façon aigiie avant un test maximal sur vélo, elle diminue toutefois la concentration sanguine de lactate suite à l'effort. Elle pourrait donc faciliter la récupération lorsque consommé avant un exercice intense.