Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale des propriétés physiques et de la biomécanique des agrégats cellulaires embryonnaires. Le but de cette thèse était d'une part de mieux comprendre l'origine biologique de la viscosité et de la tension de surface tissulaire, d'autre part d'étudier quantitativement en détail l'élasticité cellulaire par des nouvelles mesures de rhéologie en cisaillement. Un premier chapitre concerne les mesures de tension de surface tissulaire par la méthode de compression et de viscosité tissulaire par analyse de la cinétique de fusion de deux agrégats en faisant varier comme paramètre principal la contractilité cellulaire que certains suspectent comme étant la principale origine biologique de ces paramètres. Nous utilisons le formalisme du DITH (Haris, 1976: Differential Interfacial Tension Hypothesis) pour interpréter les données. Le deuxième chapitre concerne les mesures rhéologiques en cisaillement à l'aide d'un rhéomètre commercial plan-plan sur plusieurs centaines ou milliers d'agrégats cisaillés ensembles. Nous montrons que les cellules deviennent moins rigides pour une déformation minimale d'environ 4%, mais sur l'échelle de l'heure les cellules sont capables de se rigidifier à nouveau. Ces expériences sont analysées à l'aide d'un modèle de ressorts qui cassent sous contrainte puis se ressoudent à contrainte nulle.

Pendant la régénération musculaire, les cellules souches musculaires (dites satellites) prolifèrent de manière symétrique et asymétrique. La ségrégation non aléatoire des brins d'ADN est un mécanisme associé à la division asymétrique, souvent en lien avec des destins cellulaires distincts. Quand ce phénomène apparaît et comment il est régulé durant la régénération musculaire sont des points clés sur lesquels je me suis focalisée durant ma thèse. Afin d'étudier le rôle de signaux extracellulaires dans les décisions du type de division, nous avons utilisé des micropatrons de motifs symétrique et asymétrique recouverts de matrice extracellulaire. Nous avons alors montré que les fréquences de divisions asymétriques peuvent être modulées selon la forme du motif. En outre, nous décrivons une fenêtre de temps in vivo au cours de la régénération musculaire où une sous population de cellules satellites peut passer d'une division symétrique à asymétrique. Une analyse transcriptionnelle de ces cellules a permis d'identifier des gènes candidats potentiellement impliqués dans la régulation de cette transition. Nous avons testé l'effet de quelques protéines associées à ces gènes incorporées dans des niches artificielles 2D. Des données préliminaires suggérèrent que des signaux extrinsèques (protéine de la matrice extracellulaire et rigidité du substrat) combinés à une signalisation intracellulaire peuvent réguler la balance entre prolifération et différentiation. L'ensemble de ces données de thèse montre l'importance d'un dialogue entre le microenvironnement et les signaux intracellulaires dans la régulation du comportement des cellules souches. / During muscle regeneration, muscle stem (satellite) cells proliferate symmetrically and asymmetrically. Non-random segregation of old and new template DNA strands (NRDS) is one mechanism associated with an asymmetric cell division, and this is often linked with distinct daughter cell fates. How this frequency is modulated and when during tissue remodelling are key questions that are the focus of my thesis project. To address the role of extrinsic cues in NRDS and cell fate decisions, we used micropatterns coated with extracellular matrix and designed with symmetric and asymmetric topological motifs. We show that the frequency of NRDS and transcription factors asymmetry (Pax7, stem; Myogenin, differentiated) can be modulated depending on the topology of the adhesion cues of the micropattern. Moreover, we show that a temporal switch occurs in vivo during early muscle regeneration from symmetric to asymmetric DNA segregation in a subpopulation of satellite cells. Gene expression profiling of symmetrically and asymmetrically dividing cells allowed the identification of candidate regulators that might impinge on this regulatory transition. Some candidate genes were assayed in a high throughput screen that was on 2D artificial stem-cell niches. Preliminary data show that extrinsic cues (ECM protein and substrate stiffness) combined with signalling pathways can regulate the balance between proliferation and differentiation in a context dependent manner. Taken together, this thesis project shows that the interplay between microenvironment and intracellular signalling impacts on the regulation of stem cell behaviour.

Ce document présente le travail effectué et les résultats obtenus dans le cadre d'un projet visant à associer une technique nouvellement développée, le suivi des biomarqueurs endogènes permettant l'estimation de la concentration cellulaire de cultures végétales en suspensions, à un modèle mathématique décrivant l'évolution de ces cultures en fonction de la consommation des différents nutriments disponibles. Cette association permet d'obtenir une estimation des conditions de cultures cellulaires en temps réel dont la mesure ne peut actuellement être effectuée que par échantillonnages. Les temps d'expériences requis pour obtenir les mesures sont toutefois trop longs pour pouvoir effectuer un contrôle des conditions de cultures advenant une déviation du procédé. L'intérêt de ce projet se situe à deux endroits. Premièrement, la simplicité, la rapidité et l'efficacité de la technique de suivi des biomarqueurs endogènes permet le suivi en temps réel de la quantité de cellules lors de la culture (concentration cellulaire et biomasse). Or, en raison des particularités des cultures de cellules végétales, en particulier l'agglomération cellulaire, il est très difficile d'obtenir une estimation fiable de la concentration cellulaire. Présentement, il n'existe pas de technique commercialement disponible pour effectuer ce suivi. D'où l'intérêt de la méthode des biomarqueurs endogènes. Ensuite, l'association de ces mesures avec un modèle mathématique permet d'obtenir un outil décrivant l'évolution de la culture et de variables importantes qui l'influencent. Le modèle étant indépendant de la technique des biomarqueurs endogènes, il est possible de suivre un grand éventail de procédés et de variables en suivant la même méthodologie, en modifiant le modèle utilisé. Ce projet utilise un cas précis, la culture d'Arabidopsis thaliana dans un milieu standard avec un modèle relativement simple. Cependant, la même démarche peut être appliquée pour d'autres systèmes avec d'autres types d'organismes. Le travail présenté ici ouvre donc la voie à une meilleure compréhension des cultures cellulaires en générale et pourrait permettre l'optimisation de procédés jusqu'ici difficilement contrôlables dû au manque d'information disponible.

The development of functional and oriented microvessels within tissue constructs is a tremendous challenge in tissue engineering and regenerative medicine. It is justified by the need to allow better nutrient and oxygen supply and waste removal within the core of tissue constructs. It is one of the reasons why only few tissue substitutes are available to clinicians. Therefore, the focus of many research studies in the field of tissue engineering has been placed on promoting microvessel ingrowth inside tissue constructs prior to their implantation, as presented in Chapter 1. This process is often referred to as pre-vascularization. As such, Chapter 2 of this thesis is devoted to review the recent development and future challenges related to the microvascularization process of tissue constructs.The experimental work in this thesis is based on the hypothesis that polymer monofilaments precisely distanced from each others can be used to guide endothelial cells when dispersed in a (fibrin) gel and to induce tube-like structures in a directional fashion. In Chapter 3 of this thesis, the use of polymer fibres as contact guidance of endothelial cells to orient microvessel formation and development in a three-dimensional environment was validated.The novel cell attachment method described in Chapter 3 has resulted in an increase in Human Umbilical Vein Endothelial Cell (HUVEC) adhesion and spreading on bare poly(ethylene terephthalate) (PET) fibres. Furthermore, HUVEC-covered fibres were sandwiched between fibrin gels to allow the development of microvessels. Angiogenesis development was characterized and evaluated using a number of imaging techniques, including fluorescence microscopy and confocal microscopy. After 4 days of culture, microvessels formed large tube-like structures (diameter of approximately 100 [micro]m) between adjacent fibres distanced by 0.1mm. This proof-of-concept opens the door to other experiments and to possibility of scaling the system to bioreactor cultures. In Chapter 4, the effect of human fibroblasts and in another set of experiments, the influence of two angiogenic growth factors (i.e., Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and basic Fibroblast Growth Factor (bFGF)) over the responses of the HUVEC-covered fibres sandwiched in fibrin were investigated.The development and maturation of microvessels as well as the assessment of lumen formation were evaluated using a fluorescent fibrin matrix, confocal microscopy and histology. Histology and fluorescent fibrin experiments confirmed that these microvessel-like structures formed between polymer monofilaments embedded in fibrin contained a lumen.The effects of VEGF and bFGF were dose dependent. Furthermore, the use of fibroblasts significantly improved the maturation of the microvessels compared to control and to samples cultured with VEGF and bFGF. Conclusions and suggested future work are presented in Chapter 5. Appendices A and B present the detailed protocols used to label cells in this study and general information about cell cytoskeleton, respectively.

Ce travail de thèse a pour objectif le développement d‘un nouvel outil thérapeutique des tumeurs cérébrales en utilisant le tropisme tumoral des cellules stromales mésenchymateuses (CSMs) pour véhiculer et distribuer des nanoparticules (NPs) chargées en principe actif. Une sous-population de CSMs humaines extraites à partir de la moelle osseuse de la crête iliaque de patients, les cellules MIAMI (« Marrow-Isolated Adult Multilineage Inducible‖) et deux types de NPs [NPs polymériques et nanocapsules lipides (NCLs)] ont été utilisés pour montrer la preuve de concept de cet outil thérapeutique. Nous avons montré que les cellules MIAMI incorporent efficacement ces deux types de NPs sans modification de leur potentiel souche. De plus, ces cellules sont capables de véhiculer et de distribuer les NPs in vivo au sein d‘une tumeur cérébrale. La toxicité de ce nouvel outil a été validée in vitro et in vivo dans le modèle du gliome humain U87MG en utilisant des cellules MIAMI chargées en NCLs de ferrociphenol. La sureté de l‘utilisation des cellules MIAMI, en tant que vecteurs cellulaires, a également été étudiée. Nous avons montré que les cellules MIAMI n‘étaient pas capables de se transformer in vitro et in vivo. Cependant, l‘interaction des cellules MIAMI avec les cellules gliales tumorales semble être gliome dépendant suggérant que des investigations supplémentaires doivent être réalisées pour s‘assurer de la sureté des cellules MIAMI. L‘ensemble de ce travail de thèse a montré que les cellules MIAMI combinées à des NPs pour délivrer spécifiquement un principe actif au sein d‘une tumeur cérébrale constituent un outil prometteur dans la thérapie du gliome.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les voies de signalisation canoniques traditionnelles aident à comprendre l'ensemble des processus de signalisation à l'intérieur de la cellule. Les données phosphoprotéomiques à grande échelle donnent un aperçu des altérations entre différentes protéines dans différents contextes expérimentaux. Notre objectif est de combiner les réseaux de signalisation traditionnels avec des données de séries temporelles phosphoprotéomiques complexes afin de démêler les réseaux de signalisation spécifiques aux cellules. Côté application, nous appliquons et améliorons une méthode de séries temporelles caspo conçue pour intégrer des données phosphoprotéomiques de séries temporelles dans des réseaux de signalisation de protéines. Nous utilisons une étude de cas réel à grande échelle tirée du défi HPN-DREAM BreastCancer. Nous déduisons une famille de modèles booléens à partir de données de séries temporelles de perturbations multiples de quatre lignées cellulaires de cancer du sein, compte tenu d'un réseau de signalisation protéique antérieur. Les résultats obtenus sont comparables aux équipes les plus performantes du challenge HPN-DREAM. Nous avons découvert que les modèles similaires sont regroupés dans l'espace de solutions. Du côté informatique, nous avons amélioré la méthode pour découvrir diverses solutions et améliorer le temps de calcul. / Traditional canonical signaling pathways help to understand overall signaling processes inside the cell. Large scale phosphoproteomic data provide insight into alterations among different proteins under different experimental settings. Our goal is to combine the traditional signaling networks with complex phosphoproteomic time-series data in order to unravel cell specific signaling networks. On the application side, we apply and improve a caspo time series method conceived to integrate time series phosphoproteomic data into protein signaling networks. We use a large-scale real case study from the HPN-DREAM BreastCancer challenge. We infer a family of Boolean models from multiple perturbation time series data of four breast cancer cell lines given a prior protein signaling network. The obtained results are comparable to the top performing teams of the HPN-DREAM challenge. We also discovered that the similar models are clustered to getherin the solutions space. On the computational side, we improved the method to discover diverse solutions and improve the computational time.

Le Cd est un métal lourd toxique très répandu. L'homme peut être exposé à ce contaminant environnemental par la fumée, la nourriture et l'eau. Le déoxynivalénol (DON) est l'une des mycotoxines les plus répandues dans les céréales. Si de nombreuses études ont étudié la toxicité du DON et du Cd individuellement, leur toxicité combinée est très peu connue. Cependant, les consommateurs peuvent être exposés à un mélange DON et Cd. Dans la présente étude, nous nous sommes concentrés sur les effets du DON et du Cd, seuls ou en combinaison, en utilisant une approche in vitro. Différentes lignées cellulaires humaines provenant du rein (HEK-293), de l'intestin (Caco-2), du sang (HL-60) et du foie (HepG2) ont été exposées à une gamme de doses de DON et Cd seuls et en combinaison. La toxicité induite a été évaluée avec le test CellTiter-Glo(r) Luminescent Assay, basé sur la mesure de la teneur en ATP, proportionnelle au nombre de cellules viables. Les interactions entre DON et Cd ont été analysées à l'aide de la méthode de l'indice de combinaison /isobologramme basée sur de l'équation à effet médian de la loi d'action de masse de Chou et Talalay (2006). Les cellules HEK-293 ont été exposées à des doses croissantes de DON, Cd et leur combinaison à différents ratios (DON / Cd de 2/1, 1/1, 1/2 et 1/8). Indépendamment du ratio, le type d'interaction observé dans les cellules HEK-293 allait de l'antagonisme modéré à presque additif. Dans les cellules Caco-2, les interactions variait de la légère synergie à l'antagonisme, quel que soit le ratio. Au ratio 1/1, dans les cellules HL-60 et HepG2, les interactions variaient de la synergie à l'antagonisme en fonction du niveau de cytotoxicité. Dans le milieu additionné de 1% de sérum de veau fœtal (FCS), la nature des interactions entre le DON et Cd sur les cellules HEK-293 et Caco-2 n'a pas montré de différence significative par rapport au milieu avec 10% de FCS. Les effets du DON et du Cd sur la fonction barrière intestinale et l'expression des gènes ont été évalués. Sur la perméabilité des monocouches de Caco-2, le DON et le mélange DON / Cd ont montré un effet dose-dépendant tandis qu'aucun effet n'a été observé pour le Cd. Le DON a induit une altération significative des cytokines inflammatoires alors que le Cd a montré une surexpression des gènes de la métallothionéine. Dans le milieu supplémenté avec 1% de FCS, nos résultats préliminaires ont montré des effets du Cd sur la fonction de barrière intestinale. Les effets combinés du DON et du Cd sur l'intégrité de barrière des cellules Caco-2 différentiées variait d'un antagonisme modéré à presque additif. En conclusion, notre étude indique que l'exposition combinée au DON et au Cd est spécifique à l'organe cible et au stade de développement de la cellule. De plus, les interactions entre le DON et le Cd devront être étudiées dans des expériences ex vivo et in vivo pour confirmer ces résultats. / Cadmium (Cd) is a common and widespread toxic heavy metal. Human can be exposed to this environmental contaminant through smoke, food and water. Deoxynivalenol (DON) is one of the most prevalent mycotoxins in cereals. If numerous studies investigated the toxicity of DON and Cd individually, very little is known about their combined toxicity. However, consumers can be exposed to a cocktail DON and Cd. In the present study, we focused on the effects of DON and Cd, alone or in the mixture using in vitro approach. Different human cell lines from kidney (HEK-293), intestine (Caco-2), blood (HL-60) and liver (HepG2) were exposed to a range of doses of DON and Cd alone and in combination. The induced toxicity was evaluated with CellTiter-Glo(r) Luminescent Assay, based on the measure of ATP content, proportional to the number of viable cells. Interactions between DON and Cd were analyzed with isobologram-combination index method derived from the Median-Effect Equation of the Mass Action Law of Chou and Talalay (1984). HEK-293 cells were exposed to increasing doses of DON, Cd and their combinations at different ratios (DON/Cd of 2/1; 1/1; 1/2 and 1/8). Regardless of the ratio, the type of interaction observed in HEK-293 cells ranged from moderate antagonism to nearly additive. In Caco-2 cells, the interactions ranged from slight synergy to antagonism whatever the ratio. At ratio 1/1, in HL-60 and HepG2 cells, interactions ranged from synergy to antagonism depending on the cytotoxicity level. In the medium supplemented with 1% Fetal Calf Serum (FCS), the interaction of DON and Cd on HEK-293 and Caco-2 cells did not show a significant difference compared to medium with 10% FCS. Then, the effects of DON and Cd on the barrier function and gene expression were evaluated. On Caco-2 monolayers permeability, DON and DON/Cd mixture showed a dose- dependent effect while no effect was observed with Cd. DON-induced a significant alteration of inflammatory cytokines whereas Cd showed overexpression of metallothionein genes. In medium supplemented with 1% FCS, our preliminary results showed effects of Cd on intestinal barrier function. The combined effects of DON and Cd on Caco-2 cells barrier function ranged from moderate antagonism to nearly additive. In conclusion, our study indicates that the combined exposure to DON and Cd is specific to the target organ and development stage of the cells. Moreover, the interactions between DON and Cd will have to be investigated in ex vivo and in vivo experiments to confirm these results.