Outil d’évaluation des risques microbiologiques d’origine alimentaire, et d’optimisation des procédés de transformation, la microbiologie prévisionnelle ne considère pas l’influence de l’état physiologique des microorganismes sur leur comportement. L’objectif de ce travail est d’identifier des marqueurs permettant de rendre compte de l’impact de l’adaptation cellulaire face à un stress acide. Dans ce cadre, la résistance acide de Bacillus weihenstephanensis a été étudiée et des ARNm ont été identifiés en tant que biomarqueurs de résistance.(i) La résistance acide a été quantifiée via des méthodes culturales pour différents passés cellulaires. L’adaptation à un stress salin est défavorable à la résistance acide en comparaison à des conditions optimales de croissance ou à une adaptation spécifique au stress acide. Néanmoins,la résistance acide de B. weihenstephanensis est modulée de la même façon par l’acidité de l’environnement, indépendamment des conditions de culture préalablement rencontrées.(ii) Un outil basé sur la technologie Pall GeneDisc®a été développé pour permettre la quantification de l’expression génique par RT-qPCR.(iii) La corrélation des données Omic et de résistance acide a permis la sélection de biomarqueurs permettant de différencier les cellules les plus résistantes des cellules les plus sensibles présentent au sein d’une population bactérienne.(iv) Des corrélations linéaires et non linéaires ont également permis de définir des ‘direct biomarker’ qui correspondent aux gènes dont l’expression peut être linéairement corrélée à la résistance; et des ‘long-acting biomarker’ qui correspondent aux gènes dont l’expression transitoire est corrélée à une résistance acide stable.(v) Une analyse multivariée a été utilisée afin de prendre en compte les interactions entre l’expression des différents gènes impliqués dans la résistance acide et a permis la sélection de 9 gènes comme biomarqueurs de résistance acide. Enfin, des premières données prometteuses ont été obtenues. Il serait ainsi possible d’utiliser l’expression génique d’une population bactérienne à un instant donné pour prévoir sa survie dans un environnement létal. / Predictive microbiology is a tool to assess food microbiological risks and optimise food processes. However predictive microbiology which predicts the bacterial behaviour does not take bacterial physiological state into consideration. The aim ofthis work is to identify molecular biomarkers to assess the impact of bacterial adaptation on the subsequent acid resistance. In this study, the acid resistance of Bacillus weihenstephanensis wasinvestigated and mRNAs were identified as acid resistance biomarkers.(i) The bacterial acid resistance of different mildstress adapted cells was quantified using cultural methods. Mild salt-adapted cells were less resistant than cells grown in optimal conditions;and the latter less resistant than acid-adaptedcells. However, the bacterial resistance of B.weihenstephanensis followed the same patternwhen facing acidic changes of the environment and that, whatever the environmental condition previously encountered.(ii) For RT-qPCR gene expression quantifications a specific rotative PCR device based on the PallGeneDisc® Technology was developed.(iii) Omic data and bacterial acid resistances correlation allows the selection of biomarkers to track the more resistant and the more sensitive cells present within the bacterial population.(iv) Both linear and non linear correlations allowed to define two types of biomarkers: ‘Directbiomarker’ for which expression patterns uponmild stress treatment were linearly correlated to the subsequent acid resistance and ‘long-actingbiomarkers’ which were transiently up-regulatedduring mild stress exposure and correlated to increased acid resistance over time.(v) A multivariate analysis was performed to correlate the acid bacterial resistance and the gene expression of vegetative cells. This mathematical method provides the advantage to take gene expressions and their interactions into account and allowed the selection of 9 genes as acid resistance biomarkers of B. weihenstephanensis. Finally, some promising results were also obtained. There by, it would be feasible to use gene expression at a given time to predict the bacterialsurvival behaviour in lethal acid conditions.

Ce travail de thèse s'est axé autour de deux approches technologiques issues du domaine de la microfabrication pour la sélection et la capture de biomarqueurs circulants dans le sang. A l'échelle moléculaire, un module d'assemblage capillaire dirigé a été implémenté dans un automate de tamponnage moléculaire puis validé en utilisant un modèle simple, permettant l'isolement et l'étirement de biomolécules individuelles de manière entièrement contrôlée et automatisée à large échelle. Nous avons ensuite appliqué cette technologie à des biomarqueurs moléculaires d'intérêt tels que les ADN libres contenus dans du sang complet, démontrant la capacité de la technique à isoler des acides nucléiques dans un fluide complexe contenant de nombreux éléments cellulaires . A l'échelle cellulaire, une approche innovante pour la sélection et la capture de Cellules Tumorales Circulantes a été développée. Le microdispositif mis au point est fabriqué par écriture laser à 3 dimensions et permet le piégeage physique de ces cellules dans du sang complet non traité tout en les préservant pour une récupération et analyse ultérieure. Après adaptation du microdispositif pour maximiser son efficacité de capture in vitro, une première preuve de concept de capture sélective de cellules cancéreuses dans du sang complet non traité a été réalisée. U n premier prototype pour une utilisation in vivo a été mi s au point et validé in vitro sur la capture de cellules cancéreuses dans du milieu de culture. / This research project focused on two technological approaches emerging from microfabrication for the selection and capture of circulating biomarkers from blood. At the molecular scale, this work was based on the automation of a directed capillary assembly protocol. A dedicated module was implemented into an automate for molecular stampin g and validated using a simple molecular model, allowing the elongation and large-scale assembly of single biomolecules in a controlled and automatized manner. The developed technology was then used for the assembly of relevant molecular biomarkers such as cell -free DNA (cf DNA) from untreated whole blood , evidencing the capabilities of this technology to single out nucleic acids from complex fluids composed of other cellular elements. At the cellular scale, an innovative concept for Circulating Tumor Cell s (CTCs) selection and capture was developed . The developed microdevice is fabricated using 30 direct laser writing and allows for a physical capture of cell s from untreated whole blood while preserving them for further recovery and analysis. After having optimized the design in vitro to maximize the capture efficiency of the system, a selective capture of cancer cell s from untreated whole blood was achieved . A first prototype for the in vivo use of this system was also developed and validated in vitro with cancer cells spiked into culture medium.

La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse simple quadripolaire (GC-qMS) est la technique la plus utilisée dans l’exploration des acides organiques urinaires dans le cadre du diagnostic des aciduries organiques (AO). Cependant, après analyse par GC-MS de plus de 1000 échantillons d'urines recueillis auprès d'enfants atteints de troubles neurologiques, moins de 0,5% d'entre eux ont reçu un diagnostic positif. Ceci témoigne de l’urgence de rechercher de nouveaux biomarqueurs dans le domaine des troubles neurologiques associés à des erreurs innées du métabolisme (EIM).L'objectif principal de cette thèse a été de développer une nouvelle méthode d’analyse des échantillons urinaires par chromatographie bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse (GCxGC-qMS) et d'évaluer son apport dans le profilage métabolique de ces échantillons. Par ailleurs, dans le cadre du diagnostic des AO, dans un objectif de simplification de la procédure de préparation de l’échantillon, nous avons évalué une autre approche d’analyse directe en temps réel couplée à la spectrométrie de masse « DART-MS » des acides organiques urinaires. La première étape de notre travail a été de développer un protocole de préparation de l’échantillon compatible avec une méthode de séparation bidimensionnelle. Puis, grâce à l’étude systématique des différentes conditions de séparation, nous avons développé une méthode par CGxCG-qMS parfaitement adaptée à la séparation des composés extraits.Après validation analytique, la méthode proposée a été ensuite évaluée par le profilage des composés organiques présents dans des échantillons urinaires prélevés chez des volontaires sains. Par rapport aux profils obtenus par une méthode par GC-qMS classique, optimisée, les profils chromatographiques obtenus par la méthode proposée présentent une sensibilité et une résolution nettement plus élevées. Ceci se traduit par la détection en GCxGC-qMS de nombreux composés supplémentaires, jusqu’à 92, selon les échantillons. Parmi les composés supplémentaires détectés et caractérisés, certains sont d’un intérêt diagnostic reconnu.Malgré les difficultés liées à l’étape de préparation de l’échantillon et au traitement des données, l’ensemble des résultats obtenus par la méthode proposée sur de nombreux échantillons urinaires a confirmé les potentialités et la nécessité d’utiliser la chromatographie bidimensionnelle dans le domaine de la découverte de candidats biomarqueurs. Il s’agit maintenant de poursuivre l’identification des composés supplémentaires détectés dans les échantillons urinaires étudiés et d’appliquer la méthode proposée à un plus grand nombre d’échantillons témoins et pathologiques afin d’essayer d’identifier des candidats biomarqueurs.Enfin, les essais préliminaires par la technique DART-MS, effectués dans un laboratoire de la Direction des Applications Militaires (DAM) du CEA, ont été axés sur la détection d’un panel d’acides organiques représentatifs des différentes anomalies rencontrées lors des AO. Malgré les effets de suppression ionique qui restent à éliminer, les résultats obtenus montrent que cette approche mérite d’être approfondie. / Among inherited metabolic diseases, organic acidemia (OA) or organic aciduria is characterized by urinary excretion of abnormal amounts or types of organic acids. OA is mostly associated with genetic conditions resulting in a specific step of amino acid catabolism dysfunction. Such alterations can produce disease states that range from mild to lethal neurological involvement. Gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) remains the most used analytical technique for detecting specific urinary organic metabolites related to OA. However, after analyzing more than 1,000 urine samples collected from children with neurological disorders, by this technique less than 0.5% of them were positive. Thus, the discovery of new biomarker candidates for other metabolic diseases is urgently needed. The main objective of this thesis was to evaluate a new method using two-dimensional gas chromatography coupled to mass spectrometry (GCxGC-MS) for the both qualitative and quantitative metabolic profiling of children’s urine. As compared to GC-MS, GCxGC-MS shows great resolution power and high peak capacity. For this purpose, we first developed a GCxGC-MS method with an appropriate sample preparation protocol for urinary organic acids profiling. Applied to urine samples of healthy children and children with neurological disorders, the proposed method showed high sensitivity and peak capacity thus opening new possibilities for the characterization of new biomarker candidates. For instance, by this technique, we were able to detect in urines samples more than ninety additional compounds, which are not detected by a conventional GC-MS method. However, taken together the obtained results show that while the GCxGC technique has unmatched power to separate compounds in a complex mixture, the sample preparation protocol remains a limiting step for the precise quantification of the detected compounds. On another hand, in order to reduce the sample preparation step, we evaluated the direct analysis in real time (DART) method for the urinary organic acids screening. The obtained results are very promising.

Cette thèse menée à l'interface entre deux écoles doctorales, a permis d'étudier la diversité virale et de proposer l'utilisation de biomarqueurs pour répondre à des questions environnementales. La première partie présente l'étude et la caractérisation de familles de virus géants isolées au laboratoire Information Génomique et Structurale. La première, les Pandoravirus, découverte il y a 2 ans, remet en question la définition de virus, leur origine et leur mode d'évolution. Ce virus possède un génome dépassant 2,5 Mb codant pour plus de 2500 protéines, dont 90% complètement inédites. Une autre famille de virus, les Marseilleviridae, m'a permis de mesurer leur vitesse d'évolution. Les particularités de cette famille sont (i) des génomes extrêmement conservés et (ii) la séparation de la famille en différentes lignées en fonction de leur pourcentage d'identité nucléotidique. J'ai pu étudier l'évolution de cette famille, montrant que la majorité des gènes de ces virus sont conservés entre les lignées et sous pression de sélection, donc nécessaires à leur réplication. La deuxième partie avait pour but de valider l'utilisation de marqueurs biologiques afin de répondre à une question environnementale. Il s'agissait d'identifier l'origine de l'eau saumâtre d'une rivière souterraine. Pour cela nous avons recensé les communautés de procaryotes de différentes sources d'eau douce et d'eau de mer dans le but de les comparer aux communautés de la rivière souterraine. Cette démarche nous a permis de conclure sur l'origine à la fois marine et terrestre de l'eau de l'exsurgence souterraine. Des hypothèses sur le mode d'acheminement de ces eaux vers l'exsurgence sont également proposées. / This thesis which takes place between two doctoral schools, allowed us to study viral diversity and to suggest the use of a biomarker to answer environmental questions. The first part presents a work on the characterization of two giant virus families isolated in the IGS laboratory. The first family, Pandoraviruses, questions the definition of virus, their origin and the way they evolve. This virus’ genome is bigger than 2,5 Mb, which codes for more than 2,500 proteins, of which 90% were unknown before. The isolation of new members of this family could allow us to study their evolution. Another virus family, Marseilleviridae, allowed me to study their evolution speed. This family features are (i) to have highly conserved genomes and (ii) the family is separated in three lineages, according to their nucleotide identity percentage. I thus studied the evolution of this family, showing that most genes of these viruses are conserved between lineages and under selection pressure, therefore necessary for their replication. The second part describes a work to validate the use of a biologic marker in order to respond an environmental question. We tried to identify the origin of underground river brackish water flowing from a submarine karstic spring in Port-Mio, Cassis. For that we initiated a comparison of prokaryotic community from various springs of fresh water, sea water, and the underground river. This method, coordinated to biogeochemical data allowed us to identify biomarkers which are specific of each sample. We can then conclude that this brackish water finds an origin in both fresh and sea water. Hypothesis on the way these waters flows in the spring are also proposed.

Diagnostiquer précocement les maladies est un défi à relever pour améliorer la prise en charge des patients concernés et leur offrir une meilleure qualité de vie. Les analyses 'omiques', qui quantifient globalement, simultanément et sans a priori l'abondance de milliers de molécules dans les liquides biologiques, s'avèrent très prometteuses pour l'identification de biomarqueurs précoces des maladies complexes. Dans ce contexte, mon travail de thèse avait pour objectif de développer des outils de diagnostics, à partir d'analyses du peptidome et métabolome urinaire, pour détecter précocement la présence d'une maladie rénale chronique (MRC) et la survenue de ses complications cardiovasculaires. La première étude, insérée dans le projet européen 4C (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), s'est centrée sur les complications cardiovasculaires associées à la MRC en pédiatrie. Ces complications constituent la principale cause de mortalité des enfants en insuffisance rénale, et leur diagnostic précoce est impossible à ce jour. En analysant par électrophorèse capillaire couplée à la spectrométrie de masse (CE-MS) le peptidome urinaire de 86 enfants souffrant, ou non, de complications cardiovasculaires secondaires à la MRC, nous avons identifié des peptides qui permettent de prédire à l'avance les patients à haut risque cardiovasculaire : 190 peptides étaient associés à l'épaississement de la paroi carotidienne (AUC 0.87, sensibilité 80%, spécificité 100%) et 22 peptides prédisaient l'augmentation de la rigidité artérielle (AUC 0.83, sensibilité 83%, spécificité 70%). Le second projet relevait de la médecine vétérinaire. Dans cette étude menée sur 50 chiens avec et sans MRC, nous avons caractérisé pour la première fois le peptidome urinaire canin via la technologie CE-MS et nous avons découvert 133 peptides urinaires associés à la MRC. Ces derniers ont permis de diagnostiquer la présence d'une MRC dans 80% des chiens. Les métabolites sont mieux corrélés au phénotype que les autres strates moléculaires. Cependant l'apport de la métabolomique en clinique est encore limité, dû au manque de technologies analytiques performantes. Le troisième objectif de ma thèse était donc de mettre au point une procédure de dosage par CE-MS des métabolites urinaires. Grâce à une méthode unique de normalisation interne, basée sur l'utilisation de métabolites endogènes stables, il est maintenant possible d'analyser le contenu en métabolites d'un même échantillon urinaire avec une très haute reproductibilité sur le long terme (4 ans). Comme preuve de concept, nous avons mis en évidence, via cette procédure, la présence d'une combinaison de 32 métabolites dans l'urine qui permet de repérer avec une sensibilité de 76% et une spécificité de 86% les nouveau-nés porteurs d'une malformation rénale obstructive. Enfin, la quatrième problématique s'inscrivait dans une démarche translationnelle. Son but était de développer des aptasenseurs capables de détecter avec de hautes affinités et spécificités les biomarqueurs d'origine omique, pour un diagnostic simple, rapide et à moindre coût. La cible choisie était un fragment urinaire de l'alpha-1-antitrypsine, qui est ~1000 fois plus abondant chez les adultes atteints de MRC que les chez les sains. La sélection de l'aptasenseur s'est faite par le Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Nous présentons ici les travaux préliminaires de la mise au point du SELEX sur cette cible. En conclusion, cette thèse démontre le potentiel de l'analyse du contenu urinaire en peptides et métabolites pour le diagnostic précoce des pathologies complexes telles que la MRC et les complications cardiovasculaires associées. De plus l'obtention d'aptasenseurs dirigés contre ces biomarqueurs précoces et utilisables au chevet du patient devrait révolutionner dans le futur les méthodes diagnostiques. / Early diagnosis of diseases is a big challenge to improve patients' health and quality of life. 'Omics' analyses, which allow the global and simultaneous quantification of the relative abundance of thousands of molecules in biological fluids are promising for the identification of early biomarkers of complex diseases. In this context, the objective of my thesis was to develop diagnostic tools, based on urinary peptidome and metabolome analyses, for the early detection of chronic kidney disease (CKD) and associated cardiovascular complications. The first study, as part of the 4C European project (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), focused on analyzing the cardiovascular complications associated to CKD in children. These complications are the main cause of mortality in children with CKD and their early diagnosis is impossible for now. Analysis of the urinary peptidome of 86 children with or without cardiovascular complications associated to CKD by capillary electrophoresis coupled to mass spectrometry (CE-MS), led to the identification of two sets of peptides for the early prediction of high cardiovascular risk in pediatric patients: 190 peptides were associated to an increase of the carotid intima-media thickness (AUC 0.87, sensitivity 80%, specificity 100%) and 22 peptides were associated to an increase in arterial stiffness (AUC 0.83, sensitivity 83%, specificity 70%). The second study falls in the field of veterinary medicine. In this study, carried out on 50 dogs with or without CKD, we analyzed for the first time the canine urinary peptidome using the CE-MS technology. We identified 133 urinary peptides associated to CKD allowing an accurate diagnosis of CKD in 80% of the dogs. Metabolites correlate best to phenotype compared to other molecular traits. However, the use of metabolomics for identification of clinically relevant biomarkers is very limited due to the lack of high-performance analytical technologies. The third part of my thesis was to develop a procedure for the quantification of urinary metabolites by CE-MS. Using a unique method of internal normalization based on endogenous and stable metabolites, we can now analyze the metabolite content of the same urine sample with a high reproducibility over the long-term (4 years). As a proof-of-concept, we demonstrated that this developed procedure led to the identification of a set of 32 urinary metabolites that allow the early identification of newborns with an obstructive kidney anomaly with a sensitivity of 76% and a specificity of 86%. Finally, the fourth study was dedicated to improving translational research. The aim was to develop aptasensors able to detect 'omics'-identified biomarkers with a high affinity and specificity to obtain a simple, rapid and low-cost diagnostic test. The biomarker chosen as target is a urinary fragment of alpha-1-antitrypsin, which is ~1000 more abundant in adults with CKD compared to healthy subjects. Aptasensors were selected by the Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Here we present preliminary work on the development of the SELEX for our target. In conclusion, this thesis shows the strength of the urinary content, in terms of peptides and metabolites, for the early diagnosis of complex pathologies like CKD and the associated cardiovascular complications. Moreover, the selection of aptasensors targeting these early biomarkers and that can be used at bedside, will revolutionize future diagnostic methods.

La maladie de Wilson est une atteinte génétique rare associée à des mutations du gène codant pour l’ATP7B, protéine de transport et d’excrétion du cuivre dans l’organisme, entrainant une accumulation toxique de cuivre dans l’organisme au niveau du foie et du cerveau. La difficulté d’établir une corrélation génotype-phénotype et la grande hétérogénéité du tableau clinique conduisent à des difficultés de prise en charge, notamment concernant le diagnostic et le suivi biologique et thérapeutique des patients. Dans cette étude, nous avons orienté nos recherches vers la découverte et l’évaluation de candidats biomarqueurs de diagnostics et de pronostics précoce de l’évolution vers des formes neurologiques de la maladie. L’accessibilité au modèle préclinique murin Atp7b-/- nous a permis d’engager une étude préclinique permettant dans un premier temps d’optimiser la partie expérimentale pour l’identification la plus fiable de nouveaux candidats biomarqueurs plasmatiques. Cette étude a permis l’identification d’un panel de 7 candidats biomarqueurs. Ces résultats nous ont permis de susciter l’intérêt des équipes médicales du Centre National de Référence Wilson (CNR) à Lyon et à Paris et d’engager une étroite collaboration pour débuter l’étude clinique. L’obtention d’une première cohorte d’échantillons plasmatiques provenant de patients atteints de la maladie de Wilson a permis d’évaluer la valeur translationnelle et clinique des candidats biomarqueurs identifiés et de débuter l’étude clinique d’exploration du protéome plasmatique de patients atteints de la maladie de Wilson. En outre, la compréhension des mécanismes moléculaires associés au développement de la physiopathologie hépatique a été étudiée et a permis de mettre en évidence de nouvelles cibles pour, à terme, améliorer la prise en charge clinique des patients atteints de la maladie de Wilson. / Wilson’s disease is a rare genetic disorder triggered by mutations in the ATP7B gene, which encodes a transport protein involved in copper transport and excretion, triggering toxic copper overloads in the liver and the brain. The lack of genotype-phenotype correlation and phenotype variability lead to clinical care difficulties, especially for the diagnosis and biological follow up of patients. In this study, we initiated the discovery and evaluation of biomarker candidates for the diagnosis of Wilson’s disease and for early prognosis towards neurological manifestation. With the availability of the Atp7b-/- mice model, we engaged a preclinical study leading to the qualification of a panel of 7 biomarker candidates. These results allowed us to raise the interest of the National Reference Center for Wilson’s disease (CNR) medical teams in Lyon and Paris and to engage a close collaboration to initiate clinical study. Using a first plasma cohort from Wilson’s disease patients, we assessed the translational and clinical value of the 7 biomarker candidates and engage discovery study on patients’ plasma samples. Furthermore, we also studied the molecular mechanisms involved in liver pathophysiology using the Atp7b-/- mice model using discovery proteomics. These investigations led to the identification of a new potential therapeutic target.

Les maladies par expansion de polyglutamines sont des maladies neurodégénératives dues à l’expansion du trinucléotide cytosine-adénine-guanine (CAG) dans les gènes correspondants codant pour une expansion d’homopolymère de glutamine dans les protéines mutées. Ce projet concerne les formes les plus courantes qui sont la maladie de Huntington (MH) et les ataxies spinocérébelleuses (SCA) types 1, 2, 3 et 7. Ce sont des maladies autosomiques dominantes, responsables de troubles graves de la motricité partageant des voies physiopathologiques communes, avec un effet notable sur la dysfonction métabolique. La disponibilité des tests génétiques et le fait que la plupart du temps la maladie débute à l’âge adulte offre la possibilité d’une intervention thérapeutique avant l’apparition de symptômes. Toutefois, les échelles cliniques ne sont pas assez sensibles et ne peuvent effectivement être utilisés pour évaluer les personnes au stade présymptomatique de la maladie. Les techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de spectroscopie (SRM) sont des approches non invasives qui permettent de recueillir des informations pertinentes et sensibles. Ainsi, dans ce travail, nous présentons une combinaison de différentes techniques d’IRM et SRM afin d’identifier de robustes biomarqueurs de la MH et des SCA. Nous présentons aussi des approches thérapeutiques prometteuses dans la MH. De la même manière, nous voulons démontrer que des biomarqueurs d’imagerie sont plus sensibles que des échelles cliniques. Pour conclure, nous combinons des données multimodales – volumétrie, SRM, métabolomique et lipidomique – à partir de SCA dans un modèle qui explique mieux la pathologie. / Mutations in different gene loci that lead to the encoding of the unstable and expanded glutamine-encoding cytosine-adenine-guanine (CAG) repeats results in the group of diseases known as the polyglutamine diseases. This project focuses on the most common forms which are Huntington disease (HD) and spinocerebellar ataxia (SCA) types 1, 2, 3 and 7. These are autosomal dominant diseases responsible for severe movement disorders and are thought to share common pathophysiological pathways with a major emphasis on metabolic dysfunction. The availability of genetic testing and their predominantly adult onset opens a window for therapeutic intervention before symptoms onset. However, current clinical scales are not sensitive and cannot effectively be used to evaluate individuals at the presymptomatic stage of the diseases. This prompts the need for biomarkers that are sensitive to macroscopic and microscopic changes that may occur prior to disease onset. Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) techniques present non-invasive approaches to extract pertinent information that otherwise would not be possible with clinical scales. In this work therefore, we present a combination of different MRI and MRS techniques to identify robust biomarkers in HD and SCA. We also present therapeutic approaches that hold promise in HD. Likewise, we show that imaging biomarkers have higher effect sizes than clinical scales. Finally, we combine multimodal data – volumetry, MRS, metabolomics and lipidomic – from SCA into a model that best explains the pathology.

Le vieillissement musculaire (sarcopénie) conduit inéluctablement à une perte d'autonomie, et à une moindre capacité à lutter contre les agressions métaboliques. Or, les mécanismes mis en jeu sont complexes et restent mal connus. Ainsi, au cours de cette thèse, une étude protéomique comparative a été développée afin d'identifier de nouveaux biomarqueurs potentiels de la sarcopénie chez la femme âgée post-ménopausée, et 73 protéines exprimées différentiellement dans le muscle âga ont été identifiées. En plus des altérations du muscle squelettique, l'âge est connu comme étant un facteur favorisant l'apparition du syndrome métabolique (SM), facteur de risque pour les maladies cardiovasculaires et le diabète de type II. Cependant, les effets du SM sur le muscle squelettique des personnes âgées sont peu décrits dans la littérature. Des marquages immunohistologiques ont été réalisés à partir de biopsies du muscle vastus lateralis provenant de personnes jeunes (25 ans) et âgées avec ou sans SM (75 ans), afin de décrire les altérations structurales et fonctionnelles du muscle squelettique liées à l'âge et au MS. Les résultats montrent une atrophie des fibres de type II ayant une déformation accrue lors du vieillissement. Chez les personnes âgées atteintes de SM, l'aire des fibres est augmentée par rapport aux personnes âgées contrôles, et une forte diminution de l'activité cytochrome c oxydase a été observée. De plus, le vieillissement et plus particulièrement le SM sont associés à une forte accumulation de lipides intramusculaires. Enfin, alors que peu de différences ont été observées chez les personnes âgées contrôles, le contenu en capillaire est fortement altéré chez les individus atteints de SM. Par la suite, une étude protéomique comparative a permis d'identifier 42 biomarqueurs potentiellement impliqués dans le vieillissement musculaire et/ou dans le syndrome métabolique. L'ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse devrait permettre d'améliorer notre compréhension des facteurs impliqués dans le développement de la sarcopénie, et pourrait permettre d'identifier à la fois de nouvelles voies de régulation et suggérer des cibles thérapeutiques potentielles. / Muscle aging (sarcopenia) contributes to both loss of autonomy and decreased capacity to prevent metabolic aggressions, but the mechanisms involved are complex and remain unclear. Therefore in this thesis, we have undertaken a top-down differential proteomic approach to reveal novel potential biomarkers of sarcopenia, and 73 differentially expressed proteins were identified. In addition to alterations of skeletal muscle, aging favors metabolic syndrome (MS), a risk factor for cardiovascular disease and type II diabetes. However, the effects of MS on skeletal muscle in old individuals have poorly been investigated. Immunohistochemical studies were performed with vastus lateralis muscle biopsies from young (25 years) and old (75 years) men with and without MS, to reveal the importance of age-dependent and MS-associated modifications on fiber-type characteristics. An atrophy of type-II fibers and altered fiber shape characterized muscle aging in lean healthy men. In contrast, increased cross sectional area of fibers, and reduced cytochrome c oxidase activity in all fiber types characterized MS, even in active elderly men. Moreover, aging and particularly MS were associated with accumulation of intramyocellular lipid droplets. Finally, while few differences were observed in lean healthy men, the capillary supply was strongly altered in old men with MS. Thereafter, a differential proteomic approach identified 42 potential biomarkers implicated in muscle aging and/or in metabolic syndrome. Overall the results obtained in this thesis may improve our understanding of the factors influencing sarcopenia, and may both identify new regulatory pathways and provide potential therapeutical targets.

Dans le cancer du sein, la recherche de nouveaux biomarqueurs, permettant de prédire la réponse thérapeutique et de déterminer le pronostic d’une patiente, est importante pour adapter au mieux les traitements mais aussi pour améliorer la compréhension des phénomènes physiopathologiques. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux cancers du sein traités par chimiothérapie néoadjuvante. Nous avons étudié, dans des biopsies tumorales réalisées avant traitement et dans des résidus tumoraux, à la fois les paramètres télomériques et la réparation des lésions d’ADN puisque ces 2 mécanismes, lorsqu’ils sont dysfonctionnels, sont à l’origine d’une forte instabilité génomique. Nous avons corrélés ces paramètres à la réponse à la chimiothérapie néoadjuvante et à la survie des patientes. Dans un 1er temps, nous avons montré que des télomères courts, une surexpression de la télomérase (TERT) et une sous-expression d’une protéine impliquée dans différents mécanismes de réparation de l’ADN, ERCC1, sont des marqueurs de mauvais pronostic. La dysfonction simultanée des télomères et des mécanismes de réparation de l’ADN peut contribuer de façon synergique à la progression tumorale et à la résistance thérapeutique. Nous avons ensuite étudié une population de tumeurs du sein triple négatives. Nous avons montré que des télomères courts sont associés aux tumeurs les plus agressives et les plus résistantes. De plus, une résistance thérapeutique est retrouvée associée à une instabilité génomique plus importante. Nous avons enfin analysé les altérations génomiques caractéristiques permettant d’identifier le statut BRCA1-like. Le profil BRCA1-like est corrélé à une résistance thérapeutique et à une forte instabilité génomique.Enfin, nous avons réalisé une étude plus fondamentale visant à identifier les mécanismes à l’origine de la réactivation de la télomérase dans le cancer du sein. Nous avons démontré que la surexpression de TERT, dans le cancer du sein, n’est pas liée à la présence de mutations somatiques activatrices mais plutôt à celle de gain du locus TERT. Ces gains sont associés à une résistance thérapeutique et un risque de rechute plus important. Enfin, la présence de gain de TERT combinée à la surexpression de MYC, permet de définir un sous groupe de très mauvais pronostique et pourrait être utilisé pour évaluer le risque de récidives. Les paramètres télomériques et l’instabilité génomique semblent donc être des biomarqueurs prédictifs de la réponse à la chimiothérapie néoadjuvante dans le cancer du sein triple négatif. Ces paramètres ont également une forte valeur pronostique dans le cancer du sein en général et pourraient être utilisés cliniquement comme biomarqueurs utiles au choix des traitements. / In breast cancer, discovering new biomarkers, that can predict therapeutic response and prognosis, is important to find the best therapeutic options and improve our understanding of physiopathology. Our particular interest is in breast cancer treated by neoadjuvant chemotherapy (NCT). In pre-NCT biopsies and post-NCT tumors, we studied both telomeric parameters and DNA damage repair (DDR), because when these are dysfunctional, both result in high genomic instability. We correlated these parameters to neoadjuvant chemotherapy response and patient outcomes. First, we demonstrated that short telomeres, high telomerase (TERT) expression and low expression of ERCC1 (a protein involved in a number of DNA repair mechanisms) are markers of poor prognosis. Telomere and DDR dysfunction can contribute synergistically to tumor progression and chemoresistance. We then studied a triple negative breast cancer population. We demonstrated that short telomeres were associated with tumor aggressiveness and chemoresistance. Chemoresistance was also associated with high genomic instability. We analyzed genomic alterations specific to BRCA1-like status and demonstrated that BRCA1-like profile correlated with chemoresistance and high genomic instability. Finally, we performed a comprehensive study of telomerase reactivation in breast cancer. We demonstrated that high TERT expression in breast cancer is not associated with somatic enhancer mutations but more probably to TERT locus gains. These gains were correlated to chemoresistance and increased risk of relapse. TERT gain, combined with high MYC expression, was able to isolate a subgroup with a very poor prognosis, and this could be used to evaluate risk of relapse. Telomeric parameters and genomic instability seem to be predictive biomarkers for neoadjuvant chemotherapy response in triple negative breast cancer. These parameters also have strong prognostic value in breast cancer and could be used clinically as biomarkers for tailoring treatment.

Si la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse est un outil de bioanalyse largement utilisé pour la quantification des molécules de faible poids moléculaire dans les fluides biologiques, il n'en est pas de même pour les macromolécules. Au cours de ce travail, nous avons exploré les possibilités et les difficultés d'une méthode d'extraction par immunoaffinité couplée de la spectrométrie de masse pour la quantification des protéines recombinantes et des biomarqueurs. Cette stratégie a tout d'abord été appliquée à une petite protéine thérapeutique, Epi-hNE4, un inhibiteur de l'élastase humaine et pour lequel nous avons obtenu une sensibilité de 80 pM. Cette méthode a également été appliquée à un anticorps thérapeutique utilisé pour le traitement du cancer colorectal, Cetuximab, pour lequel une sensibilité de130 pM a été obtenue grâce à une extraction par l'EGFR, sa cible biologique. Ce dernier développement offre des perspectives pour évaluer l'immunogénecité des protéines thérapeutiques. La méthode de référence est la technique ELISA, que nous avons appliquée à la détection d'anticorps anti-Epi-hNE4, mais les difficultés rencontrées suggèrent que la spectrométrie de masse serait une alternative interessante. Enfin, une dernière application de la spectrométrie de masse pour la quantification multiplexée des biomarqueurs a été menée sur les apelines, une famille de peptides de 12 à 36 acides aminés jouant un rôle crucial dans le système cardiovasculaire. Une limite de détection de l'ordre de 25 pM a été atteinte, et de façon interessante, cette méthode nous a permis de conclure à l'absence des formes supposées circulantes.