Thèse d'exercice : Médecine. Médecine générale : Paris 12 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 26-29.

En recherche clinique ou environnementale, les biomarqueurs protéiques présentent un intérêt croissant. Bien que les immuno-dosages restent les méthodes de référence pour leur quantification, les récentes avancées en spectrométrie de masse (MS) font de cette technique une alternative crédible à l'ELISA. Ce travail apporte quelques éléments méthodologiques pour repousser certaines limitations de la MS. D'abord, deux dosages ont été proposés. Celui réalisé chez G. fossarum représente le premier exemple de dosage de la Vitellogénine chez un invertébré par LC-MS/MS. L'un des défis de la méthode présentée est de doser spécifiquement une protéine dans un organisme dont le génome est majoritairement inconnu. Le second dosage concerne les peptides contenant une méthionine. Nous avons développé un protocole d'oxydation des méthionines afin de s'affranchir du biais lié à leur oxydation partielle. Cette méthode a ensuite été appliquée à une protéine impliquée dans la maladie d'Alzheimer (l'Apolipoprotéine E4) dans une cohorte de 673 plasmas. Ce dosage est à ce jour l'une des plus grandes études réalisées par LC-MS/MS et montre toute la robustesse de cette approche. Enfin, l'influence de la phase mobile sur la sensibilité des dosages de peptides a été étudiée : d'abord en phase inverse, où le méthanol est une bonne alternative à l'acétonitrile ; ensuite en HILIC, où les difficultés liées à l'étude d'ions multichargés en milieu majoritairement organique ont été abordées. Les problèmes liés à la capacité de charge des colonnes ont également été soulevés. La chromatographie HILIC reste prometteuse pour la quantification de peptides puisqu'un facteur dix en sensibilité peut être apporté.

Les maladies lysosomales (aussi appelées maladies de surcharge) sont causées par l'activité déficitaire d'une ou de plusieurs hydrolases lysosomales perturbant ainsi le catabolisme de macromolécules. Ce déficit enzymatique engendre leur 'accumulation dans les tissus, les organes et les liquides biologiques de la personne atteinte. Plus de 70 maladies lysosomales ont été décrites jusqu'à maintenant et, bien que rares individuellement, elles ont une prévalence combinée d'environ 1:7000. Il est primordial que des biomarqueurs (ou indicateurs de changement) reflétant la progression et la sévérité de la maladie, la réponse à une intervention thérapeutique donnée et le mécanisme de la pathogénèse soient disponibles pour les patients. La maladie de Fabry est une maladie liée à l'X et causée par l'activité déficitaire de l'enzyme a-galactosidase A. Jusqu'à maintenant, deux sphingolipides ont été étudiés comme biomarqueurs dans l'urine et le plasma des patients Fabry : le globotriaosylcéramide (Gb 3 ) et le globotriaosylsphingosine (lyso-Gb3 ). Notre équipe a récemment découvert sept nouveaux biomarqueurs de la maladie de Fabry par des études en métabolomique utilisant la spectrométrie de masse en temps de vol. Ces nouveaux biomarqueurs présentaient des rapports masse sur charge ( m/z ) de 758, 774, 784, 800, 802, 820 et 836. Des études de fragmentation ont démontré qu'ils étaient tous des molécules analogues au lyso-Gb 3 , présentant des modifications au niveau de la partie sphingosine de la molécule. Les objectifs de ce projet de recherche étaient : 1) d' élaborer et de valider une méthode de spectrométrie de masse en tandem pour la quantification relative de ces sept analogues du lyso-Gb 3 ; 2) d'évaluer leurs niveaux d'excrétion dans des échantillons d'urine de 164 patients Fabry et de 94 individus contrôles sains de référence; 3) d'établir des corrélations entre l'excrétion urinaire des différents analogues et le sexe du patient et la thérapie enzymatique de remplacement offerte comme traitement aux patients. Une méthodologie d'analyse des biomarqueurs par spectrométrie de masse en tandem a été développée et validée. Les contrôles de référence sains analysés selon cette méthodologie ne présentaient pas de trace de biomarqueurs, à l'exception de l'analogue m/z 836, ce qui est un atout au niveau du diagnostic. Des corrélations significatives ont été établies entre les niveaux d'excrétion du lyso-Gb3 dans l'urine et le sexe du patient. Les hommes atteints de la maladie de Fabry, qui sont habituellement affectés plus sévèrement que les femmes, avaient des niveaux d'excrétion urinaires supérieurs, suggérant que les biomarqueurs découverts pourraient être reliés à la sévérité de la maladie. L'excrétion urinaire des analogues diminue significativement après l'administration de la thérapie enzymatique de remplacement chez les hommes atteints de la maladie de Fabry, ce qui démontre leur efficacité au niveau du suivi du traitement chez ces derniers. Les analogues du lyso-Gb 3 semblent donc être des biomarqueurs prometteurs pour la maladie de Fabry. [symboles non conformes]

La spectrométrie de masse apparaît au travers de la technologie SRM (Selected Reaction Monitoring) comme une alternative crédible aux tests immunologiques pour la quantification de biomarqueurs. Cependant, les limites de quantifications et de détections atteintes ne sont pas suffisantes pour réaliser des dosages cliniques. Afin d'améliorer les limites de détections, nous nous sommes intéressés au couplage de la spectroscopie optique avec la spectrométrie de masse pour le dosage de biomarqueurs. Ce couplage s'appelle la Photo-SRM. Je me suis donc appliqué, dans un premier temps, à étudier les propriétés optiques de biomolécules dans des domaines de longueurs d'ondes différents allant du VUV au visible. Par la suite, la preuve de concept de l'outil Photo-SRM a été réalisée. Suite à une modification instrumentale réalisée sur un spectromètre de masse de type triple quadripôle, un laser continu émettant des photons dans le domaine du visible, 532 nm, a été implémenté dans cet instrument. Cet outil a ensuite été appliqué pour un dosage multiplexé des protéines endogènes majoritaires du sérum humain. Ces protéines ont été dosées via des peptides protéotypiques contenant des cystéines. L'ensemble du sérum a donc été dérivé en amont de l'analyse. Nous avons souhaité appliquer la Photo-SRM au dosage des métabolites. En effet, dans de nombreuses pathologies, les métabolites et les protéines jouent un rôle important. Par exemple, les œstrogènes utilisés comme contraceptif ont un impact sur les concentrations des protéines de coagulation. Il semble donc intéressant de pouvoir étudier ces deux familles de biomolécules lors d'une même analyse. Enfin, avec l'avènement des instruments hybrides, tels que les Q-TOF et le Q-exactive, la quantification n'est plus réservée qu'à l'usage des instruments de type triple quadripôle. Ces instruments permettent de doser des biomolécules aux mêmes ordres de grandeur que les triples quadripôles en mode SRM. Ces instruments permettent également de réaliser des expériences de découvertes en protéomique. La modification instrumentale d'un Q-exactive, hybride quadripôle-Orbitrap, est présentée suivie d'expériences préliminaires. Ce couplage ouvre donc de nouvelles perspectives d'étude en quantification mais également en découverte protéomique

Les dernières avancées dans le domaine de l'imagerie par résonance magnétique permettent aujourd'hui de mieux comprendre l'anatomie et le fonctionnement du cerveau humain. L'IRM s'avère d'ailleurs aujourd'hui un outil clé pour la recherche de biomarqueurs d'imagerie dans la plupart des pathologies cérébrales. Nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse à l'étude de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux, structures impliquées dans de nombreuses boucles cortico-sous-cortico-corticales, et dont l'atteinte est à l'origine de troubles moteurs à l'instar de la maladie de Huntington, du syndrome Gilles de la Tourette et de la maladie de Parkinson. Nous avons pour cela effectué plusieurs développements méthodologiques qui permettent de segmenter les noyaux gris centraux et d'inférer leur connectivité anatomique. Tout d'abord, nous avons développé une méthode de segmentation des noyaux gris centraux à partir de différents contrastes et capable de s'adapter à des cas pathologiques présentant une forte modification de ces structures. Ensuite, nous avons développé des méthodes robustes d'analyse et de sélection des fibres reliant les différentes structures cérébrales, obtenues à l'aide de méthodes de tractographie par IRM du processus de diffusion cérébrale. Ces nouvelles méthodes de sélection présentent l'avantage de tenir compte d'a priori anatomiques, et fournissent ainsi des résultats plus proches de la réalité que les résultats obtenus dans la littérature. Nous avons également développé une méthodologie permettant de construire des cartes de connectivité surfaciques afin de projeter les connexions des noyaux gris centraux sur la surface corticale et de comparer le profil de connectivité corticale des noyaux gris au sein d'une population et entre populations. Enfin, nous avons utilisé ces outils pour étudier les modifications putatives de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux dans la maladie de Huntington et dans le syndrome Gilles de la Tourette.

Les activités anthropiques sont responsables de l'introduction d'un grand nombre de substances chimiques dans l'environnement. Dans le cadre de la Directive Cadre Européenne sur l'eau, il est nécessaire d'évaluer l'impact de la contamination chimique sur les milieux aquatiques afin d'établir un diagnostic de l'état écologique des masses d'eau. Les biomarqueurs de génotoxicité permettent l'évaluation de l'impact des contaminants chimiques sur l'intégrité structurelle de l'ADN et comme indicateurs prédictifs d'effets au niveau populationnel. L'objectif général de cette thèse est de développer un biomarqueur de génotoxicité sensible et précoce des effets de la contamination chimique urbaine sur Dreissena polymorpha. Dans ces travaux, nous avons utilisé le test comète, permettant de mesurer les cassures de brins d'ADN et les sites alcali-labiles. Nous avons couplé ce test à une endonucléase spécifique de la détection des lésions oxydatives (hOGG1) afin d'améliorer sa significativité, par la recherche de lésions oxydatives, telle que la 8-oxodG, impliquée dans le vieillissement cellulaire et la cancérogénèse. La formation d'oxydation de l'ADN a été mise en évidence par le test comet-hOGG1 appliqué à des cellules de branchies de moules exposées au BaP et au Cd. La réparation des lésions oxydatives induites par le BaP s'est avérée plus rapide que celles induites par le Cd. D'autre part, la variabilité naturelle de certains biomarqueurs de génotoxicité tels que le taux de cassures à l'ADN, la fréquence des micronoyaux et le nombre d'adduits à l'ADN, a été étudiée dans le but d'éliminer ce biais dans de futures études de biomonitoring. Les résultats des études in situ ont permis de mettre en évidence une induction de lésions oxydatives sur les moules transplantées sur les sites urbains du bassin de la Seine. De plus, ces travaux montrent que la technique de transplantation des moules n'induit pas de modification du statut biologique des organismes, ni de variation de l'expression du taux de cassures à l'ADN et de la fréquence de micronoyaux. Enfin, la comparaison de l'expression des biomarqueurs de génotoxicité entre le printemps et l'automne montre que ces deux saisons sont favorables aux études de biomonitoring par la transplantation de dreissènes.

L'IRM joue un rôle extrêmement important dans l'évaluation de nouvelles thérapies anti-tumorale vis-à-vis des gliomes tant en préclinique, qu'en clinique. L'objectif de cette thèse est de déterminer si un ou plusieurs paramètres IRM peuvent être utilisés comme indicateur d'effet thérapeutique sur des modèles de gliomes chez le rat. Nous avons évalué différents paramètres IRM (ADC : coefficient de diffusion apparent de l'eau, BVf : volume sanguin et VSI : index de taille des vaisseaux) sur 6 modèles de gliomes étudiés pour le même volume tumorale, puis au cours d'un suivi longitudinal de 2. Ces 2 études ont permis de valider ces paramètres IRM (robustesse des techniques, validation biologique). Dans une 3ème étude, nous avons suivi l'évolution de ces paramètres en y ajoutant la mesure de la perméabilité des vaisseaux à un agent de contraste, et ce lors du suivi de 2 thérapies (chimiothérapie et anti-angiogénique). Dans une dernière étude nous avons complété ce protocole par la perméabilité quantitative à deux agents de contraste de taille différente ainsi que la mesure de la saturation sanguine en oxygène (lSO2) lors du suivi de l'effet de 2 thérapies (anti-angiogénique et radiothérapie par rayonnement synchrotron) appliquées seules ou en combinaison sur un modèle de gliome. L'IRM multiparamétrique telle que présentée dans les différentes études, apparaît comme une modalité d'imagerie ayant un fort potentiel pour l'évaluation en préclinique de nouveaux médicaments sur les tumeurs cérébrales. Le transfert clinique des nouvelles techniques IRM utilisées durant cette thèse (VSI, perméabilité à 2 agents de contraste, lSO2) peut maintenant être envisagé dans un futur proche.

Le cancer pulmonaire non à petites cellules (CNPC) est la première cause de décès par cancer dans le monde. Ce cancer est souvent découvert tardivement, il est agressif, et il est chimio-résistant. La découverte de biomarqueurs pourraient représenter une percée majeure pour la prise en charge de ces patients, en facilitant le diagnostic, le pronostic et orienter vers le choix du traitement le plus approprié. Nous avons exploré plusieurs aspects liés à la progression tumorale dans le but d’identifier de nouveaux biomarqueurs dans les CNPC. Nous avons démontré un impact antagoniste sur l’évolution des CNPC des anhydrases carboniques IX et XII, induites par l’hypoxie tumorale. Une forte expression tissulaire et plasmatique de CAIX est un biomarqueur de mauvais pronostic chez les patients présentant un CNPC, tandis que l’expression tissulaire de CAXII serait prédictive d’une évolution favorable. De plus, nous avons montré que la réoxygénation dynamique des tumeurs serait à l’origine de cet antagonisme. Deuxièmement, la composante cellulaire du microenvironnement tumoral a été étudiée et plus particulièrement nous avons démontré qu’un recrutement par les cellules tumorales des neutrophiles exprimant un marqueur spécifique CD66b pourrait avoir un signal positif au cours de la progression tumorale des CNPC. Troisièmement, le compartiment sanguin a été évalué en relation avec l’évolution des tumeurs et plus particulièrement nous avons démontré la valeur majeure diagnostique et pronostique des cellules tumorales circulantes (CTC) chez les patients atteints d’un CNPC. Enfin, les CTC semblent représenter également le support idéal pour la mise en évidence de biomarqueurs théranostiques dans les CNPC. En conclusion, ces travaux explorent les possibilités et les limites de l’identification de biomarqueurs, en soulignant l'importance de la qualité des échantillons et de l'exactitude et l'exhaustivité des données cliniques afin d'obtenir des résultats reproductibles. / The non-small cell lung cancer (NSCLC) is the leading cause of cancer deaths in the world. Reliable and validated biomarkers could represent a possible breakthrough in the management of this tumour type, by facilitating diagnosis, refining prognosis and providing guidance towards the choice of the most appropriate therapy. In this thesis we approach the field of NSCLC biomarkers by exploring several aspects related to carcinogenesis and tumour progression. First, we have demonstrated a dual impact of two proteins activated by hypoxia, carbonic anhydrases IX and XII, on the outcome of NSCLC patients. We have demonstrated that high tissue and plasma CAIX expression may be a biomarker of poor prognosis and early relapse in NSCLC patients, whereas the CAXII tissue expression would be predictive of a favourable evolution. In addition, we have shown that dynamic reoxygenation of tumours would be at the origin of this antagonism. Furthermore, the cellular component of the tumour microenvironment has been studied and more particularly we have demonstrated that recruitment by the tumour cells of a subpopulation of neutrophils expressing a specific marker CD66b could have a positive signal during tumour progression of NSCLC. Thirdly, the blood compartment has been evaluated in relationship with the evolution of tumours and in particular we have demonstrated the major diagnostic and prognostic value of circulating tumour cells (CTCs) in patients with NSCLC. Finally, the CTC seem to represent the ideal tool for the detection of biomarkers theranostic in the NCPC. In conclusions, the works presented in this thesis explore possibilities and limitations of biomarker research in NSCLC, highlighting the importance of the quality of the samples and of the accuracy and completeness of clinical data in order to obtain reproducible results.

Rationnel : Le développement des techniques de reperfusion pulmonaire ex vivo (Ex vivo lung perfusion : EVLP) vise à réduire la pénurie d'organes disponibles pour la transplantation. Le monoxyde de carbone (CO) pourrait aider à la sélection des greffons en cours d'EVLP puisque sa production endogène est augmentée en situation d'ischémie reperfusion. Objectifs : Mettre au point une technique de mesure du CO exhalé (eCO) lors de l'EVLP et étudier ses variations en fonction des lésions d'ischémie reperfusion. Méthodes : À partir d'un modèle porcin d'EVLP et à l'aide d'un appareil de spectrométrie laser basé sur le principe d'une cavité résonnante (optical-feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy : OF-CEAS), eCO était mesuré selon différents paramètres ventilatoires, en ambiances polluées par des gaz pauvres (< 0,015ppmv) ou riches (9ppmv) en CO et après perfusion d'un inhibiteur de l'hème oxygénase (SnPP). eCO était ensuite comparé après 30 min (J0) ou 24 h (J1) d'ischémie froide et sa valeur prédictive pour sélectionner des greffons était calculée.Résultats : La concentration d'eCO de poumons isolés était de 0,45 ± 0.19 ppmv. Les pics d'eCO se produisaient pendant la phase expiratoire. Ni les variations de fraction inspirée en oxygène, ni la pollution de l'air ambiant ne modifiaient eCO. Les concentrations d'eCO n'étaient pas différentes après perfusion de SnPP. eCO était plus élevé à J1 par rapport à J0 (1,35 ± 0,259 ppmv vs. 0,951 ± 0,313, p = 0,01) et était corrélé à un indice de perméabilité de la membrane alvéolo capillaire. La meilleure valeur seuil d'eCO déterminée à partir de la courbe ROC était 0,860 ppmv (sensibilité de 1 (0,31 – 1), spécificité de 0,44 (0,15 – 0,77), valeur prédictive positive de 0,37 (0,10 – 0,74), valeur prédictive négative de 1 (0,39 – 1)). Conclusions : La mesure d'eCO en condition d'EVLP est faisable. eCO est significativement augmenté lorsque les lésions d'ischémie reperfusion sont accrues mais eCO ne peut pas être utilisé de façon isolée pour sélectionner les greffons pulmonaires. / Rationale: Ex vivo lung perfusion (EVLP) is a promising technique to reduce the shortage of organs available for transplantation. Carbon monoxide (CO) might help in the selection of grafts during EVLP as its endogenous production is increased by ischemia reperfusion.Objectives: To develop a measurement technique of exhaled CO (eCO) during EVLP and to study its variations depending on ischemia reperfusion injuries.Methods: Using a pig model of EVLP and using a laser spectrometer technique based on the principle of a resonant cavity (optical feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy-OF-CEAS), we measured eCO under different ventilatory parameters, various polluted environments with poor (<0,015ppmv) or rich (9ppmv) CO gas, and after infusion of an inhibitor of heme oxygenase (SnPP). We then compared eCO after 30 min (D0) or 24 h (D1) of cold ischemia and determined the predictive value of eCO to select lung grafts.Results: In isolated lungs, the concentration of eCO reached 0.45 ± 0.19 ppmv. eCO peaks during the expiratory phase. Neither variations of the fraction of inspired oxygen, nor the pollution of the ambient air altered eCO. eCO concentrations were not different after SnPP infusion. eCO was higher on day 1 compared to day 0 (1.35 ± 0.259 vs. 0.951 ± 0.313 ppmv, p = 0.01) and correlated with an index of the permeability of the alveolar capillary membrane. The best treshold value of eCO determined from the ROC curve was 0.860 ppmv (sensitivity 1 (0.31 to 1), specificity of 0.44 (0.15 to 0.77), positive predictive value of 0, 37 (0.10 to 0.74), negative predictive value of 1 (0.39 to 1)).Conclusions: Measurements of eCO during EVLP is feasible. eCO is significantly higher when ischemia-reperfusion injuries are increased. However, eCO can not be used in isolation to select lung grafts.

La sénescence cellulaire est un mécanisme de suppression cellulaire caractérisé par un arrêt irréversible du cycle cellulaire. Les cellules sénescentes ont également un secrétome spécifique qui influe sur les cellules voisines, pouvant induire leur entrée prématurée en sénescence, l'apoptose, la prolifération cellulaire et le développement tumoral. Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse était d'identifier une nouvelle protéine sécrétée par les fibroblastes sénescents et de caractériser ses fonctions dans les cellules sénescentes et dans les cellules tumorales. Nous avons mis en évidence la protéine WNT16B. Elle est surexprimée dans plusieurs modèles de sénescence cellulaire obtenus à partir de fibroblastes pulmonaires. Dans un modèle de souris transgénique, WNT16B est également associée avec l'accumulation de cellules sénescentes dans les lésions précancéreuses pulmonaires. WNT16B est impliqué dans le mécanisme de sénescence cellulaire. En effet, l'inhibition de WNT16B prévient l'entrée en sénescence, en empêchant l'activation de p53 et l'expression de p21/WAF1, et donc l'arrêt du cycle cellulaire.Nous avons finalement associé l'expression de WNT16B avec la présence de cellules sénescentes dans des tumeurs prélevées chez des patients atteints de carcinomes pulmonaires non à petites cellules. Cette expression est corrélée avec une meilleure survie pour les patients ayant reçu un traitement chimiothérapeutique. Ce dernier résultat fait donc le lien entre traitement, sénescence cellulaire et survie, et illustre le rôle potentiel des marqueurs des cellules sénescentes pour le suivi des patients. Globalement, ces travaux ont donc non seulement permis d'identifier WNT16B comme nouveau marqueur des cellules sénescentes, mais ils ont également ouvert des perspectives d'utilisation de ce marqueur pour l'identification, le traitement et le suivi des patients atteints d'un cancer. / Cellular senescence is a tumor suppression mechanism consisting of an irreversible cell cycle arrest. Senescent cells also express a specific secretome that plays a role in the microenvironment. It may induce premature senescence, apoptosis, cellular proliferation or tumor development in the neighboring cells. In this context, my thesis aimed to identify and characterize a new senescence-associated secreted protein, before highlighting its role in tumorigenesis. We identified the WNT16B protein. It was overexpressed in various cellular senescence models obtained from lung fetal fibroblasts. Moreover, WNT16B expression was associated with the accumulation of senescent cells in precancerous lesions in a transgenic mice model. WNT16B is also involved in the senescence machinery. Indeed, WNT16B inhibition prevented the senescence onset through inactivation of the p53/p21 pathway, thus stopping the cell cycle progression. Finally, we observed a correlation between the WNT16B expression and the occurrence of senescent tumoral cells in NSCLC samples. This expression was also correlated with a better patient outcome after chemotherapeutical treatment. Thus, this last result linked the treatment efficiency, the occurrence of senescence and the patient survival. Overall, my thesis established elevated WNT16B levels as a novel biomarker for senescence that might be useful for the identification, the treatment follow-up and the prognosis of patient outcome.