Neisseria meningitidis, ou méningocoque, est une bactérie responsable de méningites et de septicémies, dont la forme la plus grave, purpura fulminans, est souvent fatale. Cette bactérie, qui réside naturellement dans le rhinopharynx de l’Homme, est pathogène lorsqu’elle atteint la circulation sanguine et entre en contact avec les cellules endothéliales. L’établissement d’une interaction étroite entre le méningocoque et les cellules endothéliales est essentiel à la résistance des bactéries au flux sanguin et à la colonisation vasculaire. Cette interaction peut conduire à une désorganisation massive des endothéliums périphériques et cérébraux permettant la dissémination de la bactérie. Ces processus dépendent de la primo-interaction des pili de type IV du méningocoque avec le récepteur endothélial CD147 et de l’activation du récepteur β2-adrénergique (β2AR). L’activation de voies de signalisation en aval du β2AR dans les cellules hôtes permet l’adhérence efficace et intime des bactéries à la surface des cellules endothéliales. Toutefois, comment les récepteurs CD147 et β2AR coopèrent pour promouvoir une interaction initiale efficace et rapide n’était pas connu. Au cours de ma thèse, j’ai donc analysé les éventuelles interactions et liens fonctionnels existants entre les récepteurs CD147 et β2AR et suivi, à l’aide de nouvelles approches d’imagerie à haute résolution, leur organisation moléculaire aux sites de contact bactéries/cellule. Mes travaux ont permis de révéler l’existence d’une interaction fonctionnelle entre les récepteurs CD147 et β2AR, et d’identifier un nouveau partenaire cytosolique interagissant directement avec ces récepteurs, l’α-actinine4 (Actn4). L’expression de l’Actn4 est requise pour l’assemblage organisé de ces récepteurs en complexes multimoléculaires aux sites de contact bactéries/cellule endothéliale. Cette organisation est déterminante pour générer une force suffisante à l’interaction initiale du méningocoque aux cellules endothéliales, et promouvoir l’activation rapide des voies de signalisation nécessaires à la consolidation de cette interaction. L’infection des cellules endothéliales par le méningocoque s’accompagne de la désorganisation des jonctions intercellulaires et l’ouverture d’une voie paracellulaire favorisant la dissémination tissulaire des bactéries. Ces évènements dépendent de l’activation de la petite GTPase Cdc42 et, en aval, de la relocalisation du complexe de polarité Par3/Par6/aPKC au site d’adhérence bactérien. Ce complexe moléculaire très conservé est impliqué dans la mise en place de la polarité baso-apicale des cellules endothéliales. La perte de la polarité cellulaire constituant un élément déterminant de la perte de l’intégrité vasculaire, dans une seconde partie de ma thèse, j’ai donc entrepris une analyse des événements de signalisation précoces conduisant au remodelage de l’organisation apico-basale des cellules endothéliales par N. meningitidis. Mes travaux montrent que rapidement après adhésion aux cellules endothéliales, le méningocoque induit la ré-orientation de l’axe de polarité noyau-centrosome des cellules en direction des bactéries et mettant en jeu un mécanisme original indépendant de l’activation de Cdc42 par le β2AR. Le recrutement des ERM (Ezrine et Moesin) et la polymérisation d’actine corticale au site d’infection semblent constituer des facteurs clé de cette étape précoce de modification de la polarité endothéliale induite par le méningocoque. Ainsi, ces études ont permis une avancée majeure dans notre compréhension du mécanisme d’adhésion du méningocoque aux cellules endothéliales et des événements moléculaires précoces conduisant à l’altération de l’intégrité vasculaire, deux étapes clés au cœur de la pathogénèse des infections invasives à méningocoque. / Neisseria meningitidis or meningococcus is a commensal bacterium of the human nasopharynx responsible for septicemia and meningitis. Establishment of a close interaction between meningococcus and endothelial cells is an important step in meningococcal pathogenesis as it promotes bacterial resistance to blood flow and vascular colonization, leading to major endothelial dysfunctions and bacterial dissemination into perivascular tissues. This process depends on the interaction of meningococcal type IV pili with the endothelial receptor CD147 and the activation of the β2 adrenergic receptor (β2AR). Activation of a cellular response downstream of β2AR activation is important to allow the efficient adhesion of meningococci at the endothelial cell surface. However, how CD147 and the β2AR cooperate to promote a rapid and efficient initial adhesion remained to be explored. During my thesis, I have analyzed the interaction and the functional link between these two receptors and, using super resolution microscopy, I have investigated their molecular organization at sites of bacterial adhesion. My work revealed a functional interaction in cis between CD147 and the β2AR and binding of these receptors complexes to the molecular scaffold protein α-actinin 4 (Actn4). Actn4 expression is required for the organized assembly of these receptors in highly-ordered complexes at bacterial adhesion sites. This specific organization is decisive to provide a sufficient binding strength of meningococcal type IV pili with endothelial receptors and to promote a rapid activation of downstream signaling events in a short time frame. Endothelial cell infection by N. meningitidis is associated with the disruption of intercellular junctions and the opening of a paracellular route favoring bacterial dissemination into tissues. These events are dependent on Cdc42 activation and on the relocalization of the Par3/Par6/aPKC polarity complex at bacterial adhesion sites. This molecular complex is conserved and involved in baso-apical polarity establishment in endothelial cells. Since endothelial polarity is essential in maintaining junction integrity, in a second part of my thesis work I have analyzed the early signaling events triggered by meningococcal infection with a particular emphasis on endothelial cell polarity modifications. I observed that bacterial adhesion rapidly induced a re-orientation of the nucleus-centrosome axis toward bacterial adhesion sites. Unexpectedly, this re-orientation was independent of Cdc42 activation downstream of the β2AR. In place, the ERM proteins (Ezrin and Moesin), along with cortical actin polymerization seem to be key factors in this process. This work contributes to the understanding of the meningococcal adhesion mechanism to endothelial cells and the early molecular events leading to the loss of vascular integrity. These two key steps are very important in the meningococcal pathogenesis.

La forme non musculaire de la kinase de la chaine légère de la myosine (MLCKnm) est une kinase principalement exprimée par les cellules endothéliales dont le rôle principal est de phosphoryler la chaine légère de myosine. Cette phosphorylation modifie la conformation des têtes de myosine, augmente l’interaction actine/myosine, et induit une rétraction des cellules endothéliales. Ce processus augmente la perméabilité de la barrière endothéliale. L’activation de MLCKnm permet l’infiltration de cellules inflammatoires en réponse à certains stimuli dont le lipopolysaccharide (LPS) bactérien. Dans ce modèle expérimental de sepsis, la déficience de MLCKnm dans un modèle murin protège les souris injectées avec du LPS, associée à une prévention des stress oxydant et nitrosant ainsi que de l’activation de voies de signalisation inflammatoire. Cependant les mécanismes moléculaires mis en jeu ne sont pas totalement connus. Dans le contexte inflammatoire, le syndrome d’apnées/hypopnées obstructives du sommeil, caractérisé par une obstruction des voies aériennes lors du sommeil menant à une hypoxie intermittente (HI), partage certaines caractéristiques dans l’activation inflammatoire observée lors du sepsis. L’HI modifie le métabolisme des cellules endothéliales en diminuant la biodisponibilité du monoxyde d’azote, augmentant le stress oxydant ainsi que la production de certains facteurs inflammatoires. A long terme, une réponse inflammatoire systémique est observée augmentant les risques d’athérosclérose. L’objectif de ce travail est d’étudier l’implication de MLCKnm dans l’inflammation vasculaire dans deux modèles physiopathologiques, induits par le LPS et l’HI. / Non muscular myosin light chain kinase (nmMLCK) is aprotein mainly expressed by endothelial cells whose roleis to phosphorylate myosin light chain. This phosphorylation modifies the conformation of myosin heads, increasing actin/myosin interaction, and inducing endothelial cells retraction. This process increases endothelial barrier permeability. The activation of nmMLCK increases inflammatory cell infiltration in response to several stimuli such as the bacterial lipopolysaccharide (LPS). In this experimental model of sepsis, nmMLCK deficiency in a murine model protects mice injected with LPS, associated with oxidative and nitrative stresses prevention as well as inflammatory pathway inhibition. However, molecular mechanisms are not fully known. In this inflammatory context, obstructive sleep apnea hypopnea syndrome, characterized by obstruction of upper airway during sleep leading to intermittent hypoxia (IH), share several characteristics in inflammatory activation observed during sepsis. IH modifies the metabolism of endothelial cells decreasing nitric oxide bioavailability, increasing oxidative stress aswell as inflammatory mediators. Long-term, systemic inflammatory response is observed increasing atherosclerosis risk. The objective of this work is to study the implication of nmMLCK in vascular inflammation in two pathophysiological models induced by LPS and IH.

Le système lymphatique joue un rôle clé dans le transport du cholestérol hors de la paroi artérielle et une dysfonction lymphatique précède l'apparition de l'athérosclérose. Cette dysfonction est associée à une diminution de l’expression du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR) et est à priori indépendante des taux de cholestérol circulant. Il a été démontré que les souris dépourvues de la proprotéine subtilisine/kexine de type 9 (PCSK9), une proprotéine qui mène à la dégradation du LDLR, ont une fonction lymphatique améliorée, tandis que les souris dépourvues de LDLR développent une dysfonction lymphatique. Nous visons maintenant à mieux comprendre les mécanismes par lesquels la présence de PCSK9 dans la lymphe ou la modulation du LDLR sur les cellules endothéliales lymphatiques (CEL) affecte la fonction lymphatique. Les CEL sont incubées avec du PCSK9 ou traitées avec un ARN inhibant spécifiquement l’expression du LDLR afin d’évaluer comment la présence de PCSK9 ou la modulation du LDLR affecte l'intégrité des CEL. Nos résultats démontrent que le PCSK9 n’induit pas la sécrétion de cytokines inflammatoires et n'affecte pas l'expression des marqueurs lymphatiques. L’inhibition de l’expression du LDLR entraîne une diminution des marqueurs lymphatiques membranaires endothéliaux. La diminution du LDLR a aussi entrainé une diminution des taux de certains lipides intracellulaires et en particulier des phospholipides, des sphingolipides et des triglycérides. Ces résultats suggèrent qu'une perte du LDLR, mais pas la présence de PCSK9 en circulation, pourrait induire à une altération de l'endothélium lymphatique causée par une diminution de l’expression de protéines membranaires essentielles au bon transport de la lymphe. / The lymphatic system plays a key role in the removal of cholesterol from the artery wall and lymphatic dysfunction is known to occur prior to the onset of atherosclerosis. This dysfunction is associated with reduced expression of the low-density-lipoprotein receptor (LDLR) and is first independent of circulating cholesterol levels. It has been shown that mice lacking proprotein subtilisin/kexin type 9 (PCSK9), a proprotein that degrades LDLR, have improved lymphatic function while mice lacking LDLR had a lymphatic dysfunction. We now aim to better understand the mechanisms by which the presence of PCSK9 in lymph or the modulation of LDLR on lymphatic endothelial cells (LECs) affects lymphatic function. Incubation of LECs with PCSK9 and specific targeting of LDLR expression with silencing RNAs were used to further evaluate how PCSK9 or modulation of LDLR affect the metabolism and integrity of LECs. Our results demonstrate that PCSK9 does not induce the secretion of inflammatory cytokines and does not affect the expression of lymphatic markers. LDLR silencing RNA leads to a decrease of membrane-bound lymphatic endothelial cell markers. A decrease in LDLR expression also led to a decrease in the content of some intracellular lipids and particularly phospholipids, sphingolipids and triglycerides. These results suggest that loss of LDLR expression, but not circulating PCSK9, could lead to alterations in the lymphatic endothelium caused by loss of membrane integrity which could in turn affect lymph transport.

La néphropathie diabétique est l’une des complications les plus fréquentes chez les patients diabétiques à long terme, et est la première cause du besoin de dialyse. Les lésions glomérulaires semblent jouer un rôle clé dans le développement de la néphropathie diabétique. L’épaississement de la membrane basale glomérulaire, l’hypertrophie des cellules glomérulaires et la perte de podocytes font partie des principaux changements pathologiques survenant au cours de la néphropathie diabétique et peuvent conduire à une protéinurie. Il a été suggéré que le dysfonctionnement endothélial joue un rôle important dans la pathogenèse des lésions glomérulaires au cours de la maladie rénale diabétique. En effet, l’altération de la fonction et de l’intégrité des cellules endothéliales glomérulaires est l’une des principales causes de la microalbuminurie observée dans l’insuffisance rénale diabétique précoce. Les lésions des cellules endothéliales glomérulaires peuvent endommager les podocytes et même induire une perte podocitaire ce qui aggrave d’avantage les liaisons des cellules endothéliales glomérulaires et ainsi de suite. Actuellement, les traitements de la néphropathie diabétique visent le contrôle de la glycémie et de la pression artérielle dans le but de maintenir un bon débit de filtration glomérulaire. Cependant, l’étude de traitements pouvant cibler les lésions endothéliales ou les interactions podocyte-cellule endothéliales, qui jouent un rôle essentiel dans la progression de la maladie rénale diabétique, est nécessaire. Les traitements ciblant l’endothélium glomérulaire pourraient offrir des avantages thérapeutiques pour la néphropathie diabétique. En effet, des facteurs anti-angiogéniques tels que les inhibiteurs du VEGF pourraient prévenir les lésions rénales et les altérations glomérulaires sur des modèles de souris diabétiques. Cependant, d’autres données ont montré que des injections d’inhibiteurs du VEGF pouvaient être néfastes pour les cellules endothéliales et podocytaires. Ainsi, de nouvelles molécules ciblant l’endothélium vasculaire pourraient améliorer le pronostic et la qualité de vie chez les patients présentant une insuffisance rénale diabétique à un stade précoce. Nous avons précédemment montré que Alk1, avec son ligand BMP9, joue un rôle important dans le maintien de l’intégrité vasculaire chez les animaux diabétiques. En effet, 4 la perte de signalisation d’Alk1 chez les animaux diabétiques conduit à la dissociation des jonctions vasculaires et à une augmentation des fuites vasculaires dans la rétine. Compte tenu de son rôle dans le maintien de la quiescence et de l’intégrité de l’endothélium, nous avons évalué les effets de la surpression d’Alk1 sur l’intégrité de l’endothélium glomérulaire et la fonction rénale chez la souris diabétique. Nous avons utilisé des souris avec délétion conditionnelle de Alk1 dans l’endothélium (Alk1ΔEC) pour évaluer le rôle de Alk1 dans la filtration glomérulaire chez des souris diabétiques induits par le STZ. Les souris ont été euthanasiées quatre mois après le début du diabète et des analyses sérologiques et urinaires ont été effectuées, ainsi que des études immunohistochimiques. Nous avons démontré que l’haplo-insuffisance d’Alk1 aggrave la microalbuminurie et induit une perte de podocytes chez des souris diabétiques. De plus, une augmentation significative de l’apoptose glomérulaire a été observée chez les souris Alk1ΔEC hétérozygotes diabétiques. L’analyse de souris Alk1ΔEC homozygotes non diabétiques a également révélé une perte importante de cellules endothéliales glomérulaires. Ensemble, ces données suggèrent que la signalisation du récepteur Alk1 joue un rôle essentiel dans le maintien des cellules endothéliales glomérulaires et participe au maintien de l’intégrité glomérulaire à travers un mécanisme de podocyte-endothelial cross-talk. / Diabetic kidney disease one of the most frequent microvascular long-term complications in diabetic patients and is the first cause for the need for dialysis. The glomerular damage seems to play a key role in the development of diabetic nephropathy. Thickening of the glomerular basement membrane, glomerular cell hypertrophy, and podocyte loss is among the main pathological changes occurring during diabetic nephropathy and can lead to proteinuria. Endothelial dysfunction has been suggested to play an important role in the pathogenesis of glomerular damage during diabetic kidney disease. Indeed, alteration of the glomerular endothelial cell function and integrity is a leading cause of microalbuminuria observed in early diabetic kidney disease. Injury to glomerular endothelial cells may lead to podocyte damage, while podocyte loss further exacerbates glomerular endothelial cell injury, forming a vicious cycle. Currently, therapies in diabetic nephropathy are focusing on glycemia control and adequate arterial pressure levels in order to maintain an adequate glomerular filtration rate. However, the study of some treatments that may target endothelial lesions or podocyte-endothelial cell interactions, which play a vital role in the progression of diabetic kidney disease is necessary. It has been suggested that antiangiogenic treatments for diabetic kidney disease could provide therapeutic benefits. Indeed, anti-angiogenic factors such as VEGF inhibitors have been demonstrated to suppress renal damage and glomerular alterations in a diabetic mouse model. However, some other data have shown that anti-VEGF injections could be detrimental for podocytes and endothelial cells. Thus, new molecules targeting the vascular endothelium could possibly improve prognosis and quality of life in patients with early stages of diabetic kidney disease. We have previously shown that Alk1, along with its ligand BMP9, plays an important function to maintain vascular integrity in diabetic animals. Loss of Alk1 signaling in diabetic animals led to dissociation of vascular junctions and increased vascular leakage. Given its role in the maintenance of endothelial quiescence and integrity, we evaluated the effects of Alk1 suppression on kidney integrity and renal function in diabetic mice. 6 We used mice with conditional deletion of Alk1 in the endothelium (Alk1ΔEC) to evaluate the role of Alk1 in glomerular filtration in STZ-induced diabetic mice. Mice were euthanized four months after the onset of diabetes and urine, and serological analyzes were performed, along with immunohistochemical studies. We demonstrated that Alk1 haploinsufficiency worsens microalbuminuria and induces podocyte loss. Furthermore, a significant increase in glomerular apoptosis was observed in Alk1ΔEC mice. Analysis of homozygous Alk1ΔEC mice also revealed a significant loss of glomerular endothelial cells. Together, these data suggest that Alk1/BMP9 signaling plays a critical role in the maintenance of glomerular endothelial cells and has important functions to maintain glomerular integrity through a crosstalk podocyte-endothelial mechanism.

"Thèse en cotutelle présentée pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Bordeaux et de l'Université Laval"--Page de titre / Les maladies cardiovasculaires sont l’une des principales causes de mortalité dans le monde, engendrant le décès de plus de 17 millions de personnes par an. Ce chiffre éloquent augmentera jusqu’à atteindre selon l’OMS 23,4 millions de décès en 2030. Ces maladies sont associées à un rétrécissement de la lumière des vaisseaux sanguins qui peut entrainer une occlusion partielle ou complète du vaisseau. Le traitement le plus souvent utilisé est un traitement chirurgical visant à créer un pont qui va contourner la section obstruée, ou une section lésée. Actuellement, les conduits les plus utilisés pour les greffes sont les vaisseaux autologues, à savoir la veine saphène ou l’artère thoracique interne. Seulement, ces substituts ne peuvent être utilisés en remplace ment que s ’ils sont sains. L’alternative aux vaisseaux autologue s est l’utilisation de substituts synthétiques. Compte tenu du manque de biocompatibilité de ces greffons synthétiques, après quelques années seulement, une thrombose peut apparaitre. Une des cause s e st l’absence de cellules endothéliales (CEs) dans la lumière du substitut. Le point clé réside ici dans la fabrication d’un matériau capable de fournir au CEs un environnement favorable à leur adhésion et leur prolifération pour permettre la génération d’un endothélium dans la lumière du substitut synthétique. In vivo, les cellules capables de coloniser de tels matériaux sont les cellules progénitrices endothéliales, ces cellules sont capables de se différencier en cellules endothéliales matures et possèdent une capacité de prolifération supérieure aux cellules matures. Elles sont capables de réparer les vaisseaux et pourront donc être ciblées afin d’être recrutées in situ et ainsi endothélialiser le biomatériau. C’est dans ce contexte que nous avons choisi de modifier de façon chimique la surface d’un matériau modèle, un film de polyéthylène téréphtalate avec quatre principes actifs innovants sélectionnés pour leur capacité à induire l’adhésion des cellules ou leur différentiation pour permettre la régénérat ion d’un endothélium à la surface du matériau. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à concevoir et élaborer une méthode de fonctionnalisation homogène de ce polymère (par un lien covalent principe actif/matériau) par différents principes actifs avec une densité contrôlée et reproductible. Puis, ces principes actifs ont été disposés sous la forme de micro - patrons en surface du polymère par le biais de la technique de photolithographie. Ici, les peptides GRGDS et GHM ont été greffés pour améliorer l’adhésion des cellules, le dernier étant spécifique aux cellules endothéliales progénitrices. Le peptide SFLLRN et la sitagliptine ont été greffés pour induire ou accélérer la différenciation des EPCs en CEs matures. Toutes les surfaces ont été caractérisées pour valider le greffage covalent et connaitre la densité de molécules bioactives greffée. D’autre part avec une caractérisation approfondie des EPCs issues du sang de cordon ombilical, certains gènes et leur expression caractéristique des cellules souches et endothéliales ont été suivis par immunofluorescence et RT-qPCR pour déterminer leur état de différenciation. Ce travail n’aura été possible qu’après avoir déterminé quels gènes de références nous pouvions utiliser pour étudier le phénotype de trois types cellulaires à savoir, les cellules mononucléées CD34+, les EPCs et des CEs matures (extraites de la veine saphène). Finalement, ce projet de recherche a permis de mettre en évidence que certaines molécules bioactive s permettent d’améliorer l’adhésion de cellules mais peuvent aussi avoir un rôle pour accélérer ou retarder la différenciation des cellules. Aussi, la taille des micromotifs (micropatrons) a un impact sur l’expression de certains gènes spécifiques de la lignée endothéliale. En conclusion générale, ce projet prouve que la modification de surfaces des substituts avec des molécules bioactives est indispensable pour rendre le matériau attractif et pour régénérer un endothélium à la surface de celui-ci. Ce travail nous a aidé s à souligner l’importance de comprendre le comportement des EPCs et leur cinétique de différenciation pour leur utilisation en ingénierie vasculaire. / Cardiovascular disease is one of the leading causes of death in the world, killing more than 17 million people a year. This eloquent figure will increase to 23.4 million deaths in 2030, according to the WHO. These diseases are associated with a narrowing of the lumen of the blood vessels that may cause partial or complete occlusion of the vessel. The treatment most often used is a surgical treatment designed to create a bridge that will bypass the obstructed section or an injured section. Currently, the most used conduits for transplants are autologous vessels, namely the saphenous vein or the internal thoracic artery. Only these substitutes can only be used as a replacement if they are healthy. The alternative to autologous vessels is the use of synthetic substitutes. Due to a certain lack of biocompatibility of these synthetic grafts, after only a few years, a phenomenon of thrombosis sets in; the absence of endothelial cells (ECs) that cover the interior of t he substitute. The key point her e lies in the manufacture of a material capable of providing the ECs with a favorable environment for their adhesion and proliferation to allow the generation of an endothelium within a synthetic substitute. In vivo, cells capable of colonizing such materials are endothelial progenitor cells, these cells are capable of differentiating into mature endothelial cells and possess a higher proliferation capacity than mature cells. They are able to repair the vessels and can, therefore, be targeted to be recruited in situ and thus endothelialize the biomaterial. It is in this context that we have chosen to chemically modify the surface of a model material, a PET film with four innovative active ingredients selected for their ability to induce cell adhesion or differentiation to allow regeneration. an endothelium on the surface of the material. This project has initially made it possible to develop a protocol for grafting active ingredients covalently with a reproducible density and in a microstructured manner using photolithography. Here, the GRGDS and GHM peptides were grafted to enhance cell adhesion, the latter being specific to endothelial progenitor cells. The SFLLRN peptide and sitagliptin have been grafted to induce or accelerate the differentiation of EPCs into mature ECs. All surfaces have been characterized to validate covalent grafting and to know the density of grafted bioactive molecules. On the other hand, with a thorough characterization of EPCs from umbilical cord blood, some characteristic genes and proteins expression of stem and endothelial cells were followed by immunofluorescence and RT-qPCR to determine their state of differentiation. This work will have been possible only after determining which reference genes we could use to study the phenotype v of three cell types namely, CD34 + mononuclear cells, EPCs and mature ECs (saphenous vein extract). Finally, this research project has shown that some bioactive molecules can improve cell adhesion but can also have a role to accelerate or delay cell differentiation. Also, the size of the micropatterns has an impact on the expression of certain genes specific to the endothelial line age. As a general conclusion, this project proves that surface modification of substitutes wit h bioactive molecules is essential to make the material attractive and to regenerate an endothelium on the surface of it. This work has helped us emphasize the importance of understanding the behavior of EPCs and their kinetics of differentiation for their use in vascular engineering.

L'accident vasculaire cérébral (AVC) déclenche une perturbation de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et entrave la récupération des tissus en altérant le microenvironnement cérébral local. L'administration de l'activateur tissulaire du plasminogène (rtPA) dans une fenêtre thérapeutique étroite de 4,5 heures après l'AVC demeure le seul traitement existant. Au-delà de cette fenêtre, le tPA aggrave la perturbation de la BHE et provoque des transformations hémorragiques. La voie canonique Wnt est connue comme induisant la formation et la maturation de la BHE pendant l'ontogenèse. Nous émettons l'hypothèse que la voie est nécessaire pour maintenir l'intégrité de la BHE après un AVC et que son activation pourrait constituer une approche prometteuse pour améliorer le traitement par rtPA. Ainsi, nous avons d'abord évalué l'activité de la voie dans le cerveau de souris soumises à un modèle d’AVC. Ensuite, nous avons évalué l’effet de la désactivation de la voie sur l’intégrité de la BHE ainsi que son activation dans un contexte d'administration retardée de rtPA. Nos résultats montrent que l'activité de la voie est induite spécifiquement dans les cellules endothéliales cérébrales après un AVC ischémique. La désactivation de la voie par un inhibiteur aggrave la dégradation de la BHE et augmente l'incidence des transformations hémorragiques spontanées sans affecter l’infarct. En revanche, l'activation de la voie par un activateur spécifique, la 6-bromoindirubine-3'-oxime (6-BIO), atténue la dégradation de la BHE et réduit l'incidence des transformations hémorragiques associées à l'administration retardée du rtPA en induisant l’expression d’une protéine des jonctions serrées (claudine 3) et atténue la perméabilité basale endothéliale en réprimant l'expression de PLVAP, sans affecter l'infarctus, la vascularisation ou l'inflammation du cerveau. Notre étude démontre que l'activation de la voie canonique Wnt constitue une stratégie cliniquement pertinente pour étendre la fenêtre thérapeutique du rtPA en atténuant la dégradation de la BHE via la régulation des mécanismes spécifiques à la BHE. / Stroke triggers blood-brain barrier (BBB) disruption and hampers tissue recovery by impairing the local brain microenvironment. Administration of recombinant tissue plasminogen activator (rtPA) within a therapeutic window of 4.5 hours after onset constitutes the only existing treatment. Beyond this window, tPA worsens BBB disruption and causes haemorrhagic transformation. Canonical Wnt pathway induces BBB formation during ontogeny. We hypothesize here that pathway activity is required to maintain BBB integrity after stroke and that its activation might constitute a promising approach to improve rtPA therapy via protection of the BBB. Therefore, we have first assessed pathway activity in the brain of mice subjected to transient middle cerebral artery occlusion (MCAo). Next, we have evaluated the effect of pathway deactivation early after stroke on BBB integrity Finally, we have assessed the potential of pathway activation on BBB breakdown associated to the delayed administration of rtPA. Our results show that pathway activity is induced specifically in brain endothelial cells early after ischemic stroke. Early deactivation of the pathway using a potent inhibitor, XAV939, aggravates BBB breakdown, and increases the incidence of spontaneous haemorrhagic transformation, without affecting brain infarct. On the other hand, pathway activation using a potent specific activator, 6-Bromoindirubin-3’-oxime (6-BIO), attenuates BBB breakdown, and reduces the incidence of haemorrhagic transformation associated to delayed rtPA administration by inducing expression of the tight junction claudin-3, and attenuates endothelial basal permeability by repressing the expression of PLVAP, without affecting brain infarct, vascularization and inflammation. Our study demonstrates that activation of the canonical Wnt pathway constitutes a clinically relevant strategy to extend the therapeutic window of rtPA by attenuating BBB breakdown via regulation of BBB-specific mechanisms

Le muscle strié squelettique est un tissu richement vascularisé. Au delà de l'apport en oxygène et en nutriments, de nouvelles fonctions des vaisseaux ont été récemment identifiées, par le biais des interactions établies entre les cellules du vaisseau (cellules endothéliales) et les cellules du muscle, en particulier les cellules souches musculaires (cellules satellites). Celles-ci interagissent étroitement avec les cellules endothéliales pour leur expansion et leur différenciation, puis avec les cellules péri-endothéliales pour leur auto-renouvellement et leur retour à la quiescence. Les vaisseaux participent ainsi au contrôle de l’homéostasie du muscle squelettique. Grâce à ces interactions, les cellules vasculaires jouent donc un rôle central dans le remodelage tissulaire après un phénomène destructif, survenant par exemple au cours d’un trauma ou d’une myopathie. Pour étudier, les mécanismes de la plasticité vasculaire au cours du remodelage tissulaire, deux situations paradigmatiques de muscle en régénération chez l’enfant : la dermatomyosite juvénile (DMJ) et la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) ont été étudiées. Il existe, dans ces deux pathologies une souffrance musculaire associée à des cycles de nécrose/régénération. Elles se différencient par leur plasticité vasculaire et par leur évolution. En effet, la DMJ, la myopathie inflammatoire la plus fréquente de l’enfant est caractérisée par une vasculopathie avec perte en capillaires. L’évolution peut être favorable avec restitution ad integrum du muscle. La DMD est une myopathie génétique conduisant à une dégradation progressive de la force musculaire associée à une néovascularisation compensatrice. Le volet clinique/histologique incluant une analyse multiparamétrique des critères évolutifs cliniques et de réponse thérapeutique couplée à une réévaluation des données histologiques de la DMJ (analyse morphométrique des muscles DMJ) a permis de montrer qu’il existait des sous groupes phénotypiques homogènes de sévérité différente dans la DMJ. Le degré de sévérité clinique est relié à la gravité de la vasculopathie musculaire Par ailleurs, des marqueurs cliniques et histologiques simples permettant de repérer au diagnostic les patients nécessitant une escalade thérapeutique rapide (CMAS>34, atteinte gastrointestinale, fibrose endomysiale musculaire au diagnostic) ont été identifiés. Le volet cellulaire a permis l’identification in vitro des interactions cellulaires spécifiques et différentielles des myoblastes issues de patients DMD et DMJ sur les cellules endothéliales normales par l’analyse de leur rôle sur la prolifération, migration et différenciation des cellules vasculaires. Dans la DMD, les myoblastes entrainent une réponse angiogénique importante mais non efficace (néovascularisation anarchique). Dans la DMJ, les myoblastes participent efficacement à la reconstruction vasculaire notamment via la sécrétion de facteurs proangiogéniques. Ces résultats ont été renforcés par analyse transcriptomique effectuée à partir de cellules endothéliales et satellites isolées de muscles de patients confirmant le rôle central de la vasculopathie associée à un contexte inflammatoire spécifique lié à l’interféron dans la physiopathologie de la DMJ et montrant dans la DMD une dérégulation de l’homéostasie normale des interactions vaisseau-muscle avec mise en jeu d’un remodelage tissulaire non efficace. Ces données permettent d'identifier de nouvelles fonctions des cellules vasculaires dans le remodelage du muscle strié squelettique au cours des pathologies musculaires de l'enfant, et devraient ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. / Skeletal muscle is highly vascularised. Beyond oxygen and nutriment supply, new functions for vessels have been recently identified, through the interactions that vessel cells (endothelial cells) establish with muscle cells, particularly with muscle stem cells (satellite cells). These latter closely interact with endothelial cells for their expansion and their differentiation, then with periendothelial cells for their self-renewal and return to quiescence. During skeletal muscle regeneration endothelial cells reciprocally interact with myogenic cells by direct contact or by releasing soluble factors to promote both myogenesis and angiogenesis processes. Skeletal muscle regeneration typically occurs as a result of a trauma or disease, such as congenital or myopathies. To better understand the role of vessel plasticity in tissue remodeling, we took advantage of two muscular disorders that could be considered as paradigmatic situations of regenerating skeletal muscle in the child: Juvenile Dermatomyositis (JDM), the most frequent inflammatory myopathy and Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), the most common type of muscular dystrophy. Although these two muscular disorders share, at the tissue level, similar mechanisms of necrosis-inflammation, they differ regarding the vessel domain. In JDM patients, microvascular changes consist in a destruction of endothelial cells assessed by focal capillary loss. This capillary bed destruction is transient. The tissue remodeling is efficient and muscle may progressively recover its function. By contrast, in DMD, despite an increase of vessels density in an attempt to improve the muscle perfusion, the muscle function progressively alters with age. We identified clinical and pathological markers of severity and predictive factors for poor clinical outcome in JDM by computing a comprehensive initial and follow-up clinical data set with deltoid muscle biopsy alterations controlled by age-based analysis of the deltoid muscle capillarization. We demonstrated that JDM can be divided into two distinctive clinical subgroups. The severe clinical presentation and outcome are linked to vasculopathy. Furthermore, a set of simple predictors (CMAS<34, gastrointestinal involvement, muscle endomysial fibrosis at disease onset) allow early recognition of patients needing rapid therapeutic escalation with more potent drugs. We studied in vitro the specific cell interactions between myogenic cells issued from JDM and DMD patients and normal endothelial cells to explore whether myogenic cells participate to the vessel remodeling observed in the two pathologies. We demonstrated that MPCs possessed angiogenic properties depending on the pathological environment. In DMD, MPCs promoted the development of establishment of an anarchic, although strong, EC stimulation, leading to the formation of weakly functional vessels. In JDM, MPCs enhanced the vessel reconstruction via the secretion of proangiogenic factors. This functional analysis was supported by the transcriptomic analysis consistent with a central vasculopathy in JDM including a strong and specific response to an inflammatory environment. On the contrary, DMD cells presented an unbalanced homeostasis with deregulation of several processes including muscle and vessel development with attempts to recover neuromuscular system by MPCs. To summarize, our data should allow the definition of new functions of vessel cells in skeletal muscle remodelling during muscle pathologies of the child that will open the way to explore new therapeutic options and to gain further insights in the pathogenesis of these diseases.

Le suivi continu des substituts tissulaires en développement est crucial afin de comprendre leur évolution au fil du temps. Par contre, la tâche représente tout un défi quand vient le temps d'évaluer des échantillons de grande taille avec les techniques de microscopie. De plus, les méthodes de caractérisation les plus courantes sont fastidieuses et entraînent le sacrifice des cultures. Le développement d'approches de suivi in situ en temps réel, non invasives et non destructives, adaptées aux échantillons non transparents et de grandes tailles, est essentiel dans le domaine du génie tissulaire. Les techniques d'imagerie médicale peuvent répondre à ces besoins sans perturber ni interrompre les cultures en cours. L'hypoThèse de travail de cette Thèse était de démontrer la possibilité d'établir des méthodes d'imagerie in situ, non invasives, non destructives et en temps réel pour le suivi de la viabilité et du métabolisme de cultures tridimensionnelles (3D) de cellules endothéliales dans un gel de fibrine perfusé. Afin d'y arriver, une chambre de culture à perfusion munie de fibres creuses pour la croissance de cellules endothéliales à l'intérieur d'un gel de fibrine a d'abord été conçue. Ensuite, un bioréacteur pulsatif à perfusion apte à assurer la survie et la croissance de cultures 3D in vitro pour le génie tissulaire a été développé et validé. Dans un second temps, les protocoles d'imagerie par tomographie d'émission par positrons (TEP) n'étant pas adaptés aux systèmes de bioréacteurs, il a fallu en développer et valider un en utilisant un radiotraceur bien connu : le [indice supérieur 18]F-fluorodésoxyglucose ([indice supérieur 18]FDG) qui est un marqueur capable de détecter le métabolisme cellulaire. L'imagerie au [indice supérieur 18]FDG d'un bioréacteur permet d'évaluer la perfusion de la culture, de contrôler sa viabilité ainsi que d'estimer la densité cellulaire et le positionnement des structures tissulaires émergentes. Ainsi, les conditions optimales favorisant sa capture par les cellules ont été déterminées au préalable sur des monocouches afin d'optimiser le signal TEP correspondant. Enfin, les paramètres actifs identifiés précédemment ont été mis en application pour le suivi de cultures 3D où les densités cellulaires ont pu être estimées après seulement 12 heures de culture et des structures émergentes décelées dans les gels de fibrine au bout d'une à deux semaines. L'imagerie TEP au FDG est une approche très prometteuse pour effectuer le suivi non destructif de cultures tridimensionnelles en génie tissulaire et pour comprendre l'évolution des tissus en croissance in vitro.

La thérapie cellulaire représente une alternative intéressante aux approchespharmacologiques dans le cadre de certaines pathologies comme les dystrophiesneuromusculaires ou l’ischémie du myocarde. La transplantation de précurseurs adultes deces tissus peut améliorer ces pathologies. Toutefois, le faible nombre de ces précurseursdans l’organisme et la difficulté de leur culture et expansion in vitro sont des facteurslimitants. Grâce à leurs propriétés spécifiques, les cellules souches embryonnaires (ES)constituent une source alternative pour la thérapie cellulaire. Cependant, leur efficacité dedifférenciation dans un lignage donné doit être finement contrôlée avant de pouvoir lesutiliser avec succès.Afin de mieux connaître le potentiel thérapeutique des cellules dérivées de cellulesES, il est essentiel de caractériser les mécanismes moléculaires qui engagent les cellules ESvers différents lignages. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la voie designalisation p38MAPK, qui est largement impliquée dans la différenciation cellulaire et lasurvie cellulaire. Nous avons plus précisement étudié l’implication de p38MAPK au coursdes différenciations endothéliale, du muscle lisse et du muscle squelettique.Nous avons mis en évidence que les cellules ES p38!-/- ne se différencient plus encellules endothéliales, en cellules du muscle lisse et en cellules du muscle squelettique. Laré-expression de p38MAPK dans ces cellules restaure partiellement les différenciationsdérivées du mésoderme (les différenciations endothéliale, du muscle lisse,cardiomyocytaire et de muscle squelettique). Parallèlement grâce à une inhibitionspécifique de la voie p38MAPK au cours de la différenciation des cellules ES, nous avonsmontré que la voie p38MAPK agit via deux mécanismes moléculaires distincts successifspour réguler la différenciation mésodermique des cellules ES. Le premier mécanisme estcorrèlé à l’expression de Brachyury, un marqueur précoce du mésoderme, alors que lesecond mécanisme est indépendant de Brachyury.Nous avons ensuite poursuivi l’étude de l’implication de p38MAPK dans lamyogénèse des cellules ES et nous avons pu mettre en évidence que p38MAPK estnécessaire à la fois pour l’engagement précoce et la différenciation terminale des cellulesmusculaires.En combinant des approches biochimiques et génétiques, nous avons démontré que lavoie de signalisation p38MAPK est nécessaire très précocement à la différenciation deslignages issus du mésoderme.Ces résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculairesimpliqués dans la différenciation des cellules ES, ce qui constitue une étape préalable ausuccés de futures thérapies cellulaires. / Embryonic stem (ES) cells give rise, in vivo, to all of the three germ layers and, invitro, to differentiate into a broad variety of cell lineages which opens up largeperspectives in regenerative medicine. We previously found that the p38MAPKpathway controls the commitment of ES cells toward either cardiomyogenesis (p38on) or neurogenesis (p38 off ). In this study, we show that p38a knock-out ES cellsdo not differentiate into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal musclelineages. Reexpression of p38MAPK in these cells partially rescues theirmesodermal differentiation defects and corrects the high level of spontaneousneurogenesis of knock-out cells. Wild-type ES cells were treated with a p38MAPKspecificinhibitor during the differentiation process. These experiments allowed us toidentify 2 early independent successive p38MAPK functions in the formation ofmesodermal lineages. Further, the first one correlates with the regulation of theexpression of Brachyury, an essential mesodermal-specific transcription factor, byp38MAPK. Moreover, we also showed that p38MAPK is required for the late stageskeletal muscle differentiation. In conclusion, by genetic and biochemicalapproaches, we demonstrate that p38MAPK activity is essential for the commitmentof ES cell into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal muscle mesodermallineages.

Le muscle strié squelettique est un tissu richement vascularisé. Au delà de l'apport en oxygène et en nutriments, de nouvelles fonctions des vaisseaux ont été récemment identifiées, par le biais des interactions établies entre les cellules du vaisseau (cellules endothéliales) et les cellules du muscle, en particulier les cellules souches musculaires (cellules satellites). Celles-ci interagissent étroitement avec les cellules endothéliales pour leur expansion et leur différenciation, puis avec les cellules péri-endothéliales pour leur auto-renouvellement et leur retour à la quiescence. Les vaisseaux participent ainsi au contrôle de l’homéostasie du muscle squelettique. Grâce à ces interactions, les cellules vasculaires jouent donc un rôle central dans le remodelage tissulaire après un phénomène destructif, survenant par exemple au cours d’un trauma ou d’une myopathie. Pour étudier, les mécanismes de la plasticité vasculaire au cours du remodelage tissulaire, deux situations paradigmatiques de muscle en régénération chez l’enfant : la dermatomyosite juvénile (DMJ) et la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) ont été étudiées. Il existe, dans ces deux pathologies une souffrance musculaire associée à des cycles de nécrose/régénération. Elles se différencient par leur plasticité vasculaire et par leur évolution. En effet, la DMJ, la myopathie inflammatoire la plus fréquente de l’enfant est caractérisée par une vasculopathie avec perte en capillaires. L’évolution peut être favorable avec restitution ad integrum du muscle. La DMD est une myopathie génétique conduisant à une dégradation progressive de la force musculaire associée à une néovascularisation compensatrice. Le volet clinique/histologique incluant une analyse multiparamétrique des critères évolutifs cliniques et de réponse thérapeutique couplée à une réévaluation des données histologiques de la DMJ (analyse morphométrique des muscles DMJ) a permis de montrer qu’il existait des sous groupes phénotypiques homogènes de sévérité différente dans la DMJ. Le degré de sévérité clinique est relié à la gravité de la vasculopathie musculaire Par ailleurs, des marqueurs cliniques et histologiques simples permettant de repérer au diagnostic les patients nécessitant une escalade thérapeutique rapide (CMAS>34, atteinte gastrointestinale, fibrose endomysiale musculaire au diagnostic) ont été identifiés. Le volet cellulaire a permis l’identification in vitro des interactions cellulaires spécifiques et différentielles des myoblastes issues de patients DMD et DMJ sur les cellules endothéliales normales par l’analyse de leur rôle sur la prolifération, migration et différenciation des cellules vasculaires. Dans la DMD, les myoblastes entrainent une réponse angiogénique importante mais non efficace (néovascularisation anarchique). Dans la DMJ, les myoblastes participent efficacement à la reconstruction vasculaire notamment via la sécrétion de facteurs proangiogéniques. Ces résultats ont été renforcés par analyse transcriptomique effectuée à partir de cellules endothéliales et satellites isolées de muscles de patients confirmant le rôle central de la vasculopathie associée à un contexte inflammatoire spécifique lié à l’interféron dans la physiopathologie de la DMJ et montrant dans la DMD une dérégulation de l’homéostasie normale des interactions vaisseau-muscle avec mise en jeu d’un remodelage tissulaire non efficace. Ces données permettent d'identifier de nouvelles fonctions des cellules vasculaires dans le remodelage du muscle strié squelettique au cours des pathologies musculaires de l'enfant, et devraient ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. / Skeletal muscle is highly vascularised. Beyond oxygen and nutriment supply, new functions for vessels have been recently identified, through the interactions that vessel cells (endothelial cells) establish with muscle cells, particularly with muscle stem cells (satellite cells). These latter closely interact with endothelial cells for their expansion and their differentiation, then with periendothelial cells for their self-renewal and return to quiescence. During skeletal muscle regeneration endothelial cells reciprocally interact with myogenic cells by direct contact or by releasing soluble factors to promote both myogenesis and angiogenesis processes. Skeletal muscle regeneration typically occurs as a result of a trauma or disease, such as congenital or myopathies. To better understand the role of vessel plasticity in tissue remodeling, we took advantage of two muscular disorders that could be considered as paradigmatic situations of regenerating skeletal muscle in the child: Juvenile Dermatomyositis (JDM), the most frequent inflammatory myopathy and Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), the most common type of muscular dystrophy. Although these two muscular disorders share, at the tissue level, similar mechanisms of necrosis-inflammation, they differ regarding the vessel domain. In JDM patients, microvascular changes consist in a destruction of endothelial cells assessed by focal capillary loss. This capillary bed destruction is transient. The tissue remodeling is efficient and muscle may progressively recover its function. By contrast, in DMD, despite an increase of vessels density in an attempt to improve the muscle perfusion, the muscle function progressively alters with age. We identified clinical and pathological markers of severity and predictive factors for poor clinical outcome in JDM by computing a comprehensive initial and follow-up clinical data set with deltoid muscle biopsy alterations controlled by age-based analysis of the deltoid muscle capillarization. We demonstrated that JDM can be divided into two distinctive clinical subgroups. The severe clinical presentation and outcome are linked to vasculopathy. Furthermore, a set of simple predictors (CMAS<34, gastrointestinal involvement, muscle endomysial fibrosis at disease onset) allow early recognition of patients needing rapid therapeutic escalation with more potent drugs. We studied in vitro the specific cell interactions between myogenic cells issued from JDM and DMD patients and normal endothelial cells to explore whether myogenic cells participate to the vessel remodeling observed in the two pathologies. We demonstrated that MPCs possessed angiogenic properties depending on the pathological environment. In DMD, MPCs promoted the development of establishment of an anarchic, although strong, EC stimulation, leading to the formation of weakly functional vessels. In JDM, MPCs enhanced the vessel reconstruction via the secretion of proangiogenic factors. This functional analysis was supported by the transcriptomic analysis consistent with a central vasculopathy in JDM including a strong and specific response to an inflammatory environment. On the contrary, DMD cells presented an unbalanced homeostasis with deregulation of several processes including muscle and vessel development with attempts to recover neuromuscular system by MPCs. To summarize, our data should allow the definition of new functions of vessel cells in skeletal muscle remodelling during muscle pathologies of the child that will open the way to explore new therapeutic options and to gain further insights in the pathogenesis of these diseases.