T cells infiltrate the degenerating brain and influence central nervous system (CNS) inflammation and neuronal health. In mice, the choroid plexus and the meninges have been implicated in regulating T cell entry and egress from the CNS, respectively. Further, antigen presenting cells in the mouse meninges present CNS-derived antigens to T cells and may represent a method for the peripheral immune system to sense and respond to CNS immune triggers. However, whether these processes occur in the human choroid plexus and meninges has not been comprehensively studied. Further, the antigens towards which T cells in the degenerating human brain and its borders respond remain unknown. Therefore, I implemented a multi-omics approach using fresh postmortem tissue from patients diagnosed with amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), and non-neurodegenerative controls to identify not only the T cell-associated changes that occur in the degenerating human CNS and surrounding tissues but also identified a library of putative antigen targets for disease-associated T cell populations. Specifically, using single cell RNA and TCR sequencing information from paired postmortem choroid plexus, leptomeninges, and brain I lineage traced T cells using their TCR information and found that T cell access to leptomeninges and brain is likely limited and controlled by anti-inflammatory macrophage activity at the blood/CSF barrier (BCSFB). Once past the BCSFB, I present evidence that T cells access the CNS where they interact with MHC expressed by microglia. T cells also accumulate in the leptomeninges where they become tissue resident memory T cells. These tissue resident memory T cells likely serve as a reservoir for a rapid antigen-driven immune response to future CNS inflammatory insults. Finally, by performing immunopeptidomics to identify peptides presented by MHC in the same patients’ CNS and border tissues, I identified a library of putative antigenic triggers that may drive high levels of T cell clonal expansion in the brain and surrounding tissues. Altogether, this thesis serves as a resource for understanding the trajectory of T cells as they travel into the degenerating human brain and as a foundation for the development of antigen-specific precision medicines to treat neurodegeneration.

La débitmétrie au laser à effet Doppler (LDF) constitue une méthode prometteuse et non-invasive pour l'étude du débit sanguin local dans l'œil. Cette technique est basée sur un changement de fréquence subi par la lumière lors du mouvement des globules rouges dans les vaisseaux. Une nouvelle sonde LDF a été testée pour sa sensibilité à évaluer la circulation rétinienne/choroïdienne sous des conditions hypercapniques et en présence de diverses substances vasoactives ou suivant la photocoagulation des artères rétiniennes chez le rat. Après dilatation pupillaire, la sonde LDF a été placée en contact avec la cornée de rats anesthésiés et parallèle à l'axe optique. L'hypercapnie a été provoquée par inhalation de CO2 (8% dans de l'air médical), alors que les agents pharmacologiques ont été injectés de façon intravitréenne. La contribution relative à la circulation choroïdienne a été évaluée à la suite de la photocoagulation des artères rétiniennes. Le débit sanguin s'est trouvé significativement augmenté à la suite de l'hypercanie (19%), de l'adénosine (14%) ou du nitroprusside de sodium (16%) comparativement au niveau de base, alors que l'endothéline-1 a provoqué une baisse du débit sanguin (11%). La photocoagulation des artères rétiniennes a significativement diminué le débit sanguin (33%). Des mesures en conditions pathologiques ont ensuite été obtenues après l'injection intravitréenne d'un agoniste sélectif du récepteur B1 (RB1). Ce récepteur des kinines est surexprimé dans la rétine des rats rendus diabétiques avec la streptozotocine (STZ) en réponse à l'hyperglycémie et au stress oxydatif. Les résultats ont montré que le RB1 est surexprimé dans la rétine chez les rats diabétiques-STZ à 4 jours et 6 semaines. À ces moments, le débit sanguin rétinien/choroïdien a été significativement augmenté (15 et 18 %) après l'injection de l'agoniste, suggérant un effet vasodilatateur des RB1 dans l'œil diabétique. Bien que la circulation choroïdienne contribue probablement au signal LDF, les résultats démontrent que le LDF représente une technique efficace et non-invasive pour l'étude de la microcirculation rétinienne in-vivo en continu. Cette méthode peut donc être utilisée pour évaluer de façon répétée les réponses du débit sanguin pendant des modifications métaboliques ou pharmacologiques dans des modèles animaux de maladies oculaires. / Laser Doppler Flowmetry (LDF) is a promising, non-invasive technique to assess local ocular blood flow. This technique is based on a Doppler frequency shift of the backscattered light due to the movement of the red blood cells in the vessels. A new LDF probe was tested for its sensitivity to assess the retinal/choroidal blood flow variations in response to hypercapnia, diverse vasoactive agents and following retinal arteries photocoagulation in the rat. After pupil dilation, a LDF probe was placed in contact to the cornea of anesthetised rats in the optic axis. Hypercapnia was induced by inhalation of CO2 (8% in medical air) while pharmacological agents were injected intravitreously. The relative contribution of the choroidal circulation to the LDF signal was determined after retinal artery occlusion by photocoagulation. Blood flow was significantly increased by hypercapnia (19%), adenosine (14%) and sodium nitroprusside (16%) as compared to baseline values while endothelin-1 decreased blood flow (11%). Photocoagulation of retinal arteries significantly decreased blood flow level (33%). Measurements in pathological conditions were then obtained after intravitreal injections of a B1R agonist. This kinin receptor is overexpressed in the retina of streptozotocin (STZ) diabetic rats in response to hyperglycaemia and oxidative stress. Data showed that B1R was upregulated in the STZ-diabetic retina at 4 days and 6 weeks. At these time points, retinal/choroidal blood flow was significantly increased (15 and 18 %) upon injection of the agonist, suggesting a vasodilatory effect of B1R in the diabetic eye. Although choroidal circulation most likely contributes to the LDF signal in this setting, the results demonstrate that LDF represents a suitable in vivo non-invasive technique to monitor online relative changes of retinal microcirculation. This technique could be used for repeatedly assessing blood flow reactivity to metabolic or pharmacologic challenges in rodent models of ocular diseases.

No description available.

La débitmétrie au laser à effet Doppler (LDF) constitue une méthode prometteuse et non-invasive pour l'étude du débit sanguin local dans l'œil. Cette technique est basée sur un changement de fréquence subi par la lumière lors du mouvement des globules rouges dans les vaisseaux. Une nouvelle sonde LDF a été testée pour sa sensibilité à évaluer la circulation rétinienne/choroïdienne sous des conditions hypercapniques et en présence de diverses substances vasoactives ou suivant la photocoagulation des artères rétiniennes chez le rat. Après dilatation pupillaire, la sonde LDF a été placée en contact avec la cornée de rats anesthésiés et parallèle à l'axe optique. L'hypercapnie a été provoquée par inhalation de CO2 (8% dans de l'air médical), alors que les agents pharmacologiques ont été injectés de façon intravitréenne. La contribution relative à la circulation choroïdienne a été évaluée à la suite de la photocoagulation des artères rétiniennes. Le débit sanguin s'est trouvé significativement augmenté à la suite de l'hypercanie (19%), de l'adénosine (14%) ou du nitroprusside de sodium (16%) comparativement au niveau de base, alors que l'endothéline-1 a provoqué une baisse du débit sanguin (11%). La photocoagulation des artères rétiniennes a significativement diminué le débit sanguin (33%). Des mesures en conditions pathologiques ont ensuite été obtenues après l'injection intravitréenne d'un agoniste sélectif du récepteur B1 (RB1). Ce récepteur des kinines est surexprimé dans la rétine des rats rendus diabétiques avec la streptozotocine (STZ) en réponse à l'hyperglycémie et au stress oxydatif. Les résultats ont montré que le RB1 est surexprimé dans la rétine chez les rats diabétiques-STZ à 4 jours et 6 semaines. À ces moments, le débit sanguin rétinien/choroïdien a été significativement augmenté (15 et 18 %) après l'injection de l'agoniste, suggérant un effet vasodilatateur des RB1 dans l'œil diabétique. Bien que la circulation choroïdienne contribue probablement au signal LDF, les résultats démontrent que le LDF représente une technique efficace et non-invasive pour l'étude de la microcirculation rétinienne in-vivo en continu. Cette méthode peut donc être utilisée pour évaluer de façon répétée les réponses du débit sanguin pendant des modifications métaboliques ou pharmacologiques dans des modèles animaux de maladies oculaires. / Laser Doppler Flowmetry (LDF) is a promising, non-invasive technique to assess local ocular blood flow. This technique is based on a Doppler frequency shift of the backscattered light due to the movement of the red blood cells in the vessels. A new LDF probe was tested for its sensitivity to assess the retinal/choroidal blood flow variations in response to hypercapnia, diverse vasoactive agents and following retinal arteries photocoagulation in the rat. After pupil dilation, a LDF probe was placed in contact to the cornea of anesthetised rats in the optic axis. Hypercapnia was induced by inhalation of CO2 (8% in medical air) while pharmacological agents were injected intravitreously. The relative contribution of the choroidal circulation to the LDF signal was determined after retinal artery occlusion by photocoagulation. Blood flow was significantly increased by hypercapnia (19%), adenosine (14%) and sodium nitroprusside (16%) as compared to baseline values while endothelin-1 decreased blood flow (11%). Photocoagulation of retinal arteries significantly decreased blood flow level (33%). Measurements in pathological conditions were then obtained after intravitreal injections of a B1R agonist. This kinin receptor is overexpressed in the retina of streptozotocin (STZ) diabetic rats in response to hyperglycaemia and oxidative stress. Data showed that B1R was upregulated in the STZ-diabetic retina at 4 days and 6 weeks. At these time points, retinal/choroidal blood flow was significantly increased (15 and 18 %) upon injection of the agonist, suggesting a vasodilatory effect of B1R in the diabetic eye. Although choroidal circulation most likely contributes to the LDF signal in this setting, the results demonstrate that LDF represents a suitable in vivo non-invasive technique to monitor online relative changes of retinal microcirculation. This technique could be used for repeatedly assessing blood flow reactivity to metabolic or pharmacologic challenges in rodent models of ocular diseases.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / With the recent advancement of computation and imaging technology, Image-based computational fluid dynamics (ICFD) has emerged as a great non-invasive capability to study biomedical flows. These modern technologies increase the potential of computation-aided diagnostics and therapeutics in a patient-specific environment. I studied three components of this image-based computational fluid dynamics process in this work. To ensure accurate medical assessment, realistic computational analysis is needed, for which patient-specific image segmentation of the diseased vessel is of paramount importance. In this work, image segmentation of several human arteries, veins, capillaries, and organs was conducted to use them for further hemodynamic simulations. To accomplish these, several open-source and commercial software packages were implemented. This study incorporates a new computational platform, called InVascular, to quantify the 4D velocity field in image-based pulsatile flows using the Volumetric Lattice Boltzmann Method (VLBM). We also conducted several parametric studies on an idealized case of a 3-D pipe with the dimensions of a human renal artery. We investigated the relationship between stenosis severity and Resistive index (RI). We also explored how pulsatile parameters like heart rate or pulsatile pressure gradient affect RI. As the process of ICFD analysis is based on imaging and other hemodynamic data, it is often time-consuming due to the extensive data processing time. For clinicians to make fast medical decisions regarding their patients, we need rapid and accurate ICFD results. To achieve that, we also developed surrogate models to show the potential of supervised machine learning methods in constructing efficient and precise surrogate models for Hagen-Poiseuille and Womersley flows.

No description available.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Choroidal neovascularization (CNV) is the vision-threatening characteristic of wet age-related macular degeneration (AMD), a major cause of blindness affecting almost 2 million elderly Americans. The current approved treatments target the dominant angiogenic mediator, vascular endothelial growth factor (VEGF). However, repeated injections of anti-VEGF drugs can cause ocular and systemic side effects, and about 30% of wet AMD patients are non-responsive. There is thus an unmet need to develop VEGF-independent antiangiogenic molecules to complement or combine with existing medications. I studied SH-11037, a novel homoisoflavonoid with potent and selective antiangiogenic activity against human retinal endothelial cells. Intravitreal SH- 11037 dose-dependently suppressed angiogenesis in the laser-induced CNV (LCNV) mouse model. These effects were prominent as early as 7 days post-laser treatment as measured by a novel ellipsoid quantification method of optical coherence tomography images in vivo. A supratherapeutic dose of 100 μM SH- 11037 was not associated with signs of murine ocular toxicity, and did not interfere with pre-existing retinal vasculature or retinal function. SH-11037 synergized with anti-VEGF therapy in vitro and in vivo, suggesting a VEGFindependent mechanism. By photoaffinity pulldown, I identified soluble epoxide hydrolase (sEH) as an SH-11037-binding target. sEH is a key enzyme in ω-3 and ω-6 fatty acid metabolism. sEH levels were dramatically upregulated in retinal sections from L-CNV mice and a specific sEH inhibitor, t-AUCB, significantly suppressed L-CNV lesion volume. Additionally, SH-11037 inhibited sEH enzymatic activity in vitro and in vivo in L-CNV mice. Given the role of sEH in the metabolism of docosahexaenoic acids (DHA), inhibition of sEH using small molecules like SH-11037 would enhance ocular DHA levels, with beneficial antiangiogenic and anti-inflammatory effects. SH-11037 is thus a novel sEH inhibitor, which could make it an alternative or additive therapy to existing anti- VEGF drugs for treatment of neovascular diseases in the eye and other tissues.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est une des premières causes de cécité pour les personnes âgées de plus de 50 ans. Elle existe sous deux formes : sèche et humide. La forme causant les pertes de vision les plus sévères et rapides est DMLA humide où des nouveaux vaisseaux sanguins anormaux se forment dans la rétine; ce processus est appelé la néovascularisation choroïdienne. Celui-ci est causé par la dégradation des différentes membranes de la rétine et de l’augmentation du VEGF stimulant la croissance de ces vaisseaux. L’obésité, l’hypertension, le diabète et la cigarette sont connus pour être des facteurs modifiables et fortement corrélés avec la maladie. Avec l’arrivée des nombreuses diètes tendances, le jeûne intermittent pourrait être une intervention non-pharmacologique impactant l’obésité, l’hypertension et le diabète. En effet, cette diète est reconnue pour améliorer la santé, améliore la sensibilité à l’insuline et la tolérance glucose, diminuer le cholestérol sanguin et exercerait un effet bénéfique sur l’obésité. Ce mémoire a été entrepris dans le but d’évaluer les avantages potentiels du cycle de diète, soit le jeûne intermittent, sur la néovascularisation choroïdienne dans un modèle de DMLA. Nous avons émis l’hypothèse que le jeûne intermittent permet la diminution de la néovascularisation choroïdienne. Nos résultats montrent que les souris sous le régime jeûne intermittent que nous avons utilisé, c’est-à-dire 2 jours d’alimentation pour 1 jour de jeûne, ne perdent pas de poids, et suivent le même schéma de prise de poids que les souris nourries à volonté. De plus, les souris sous jeûne intermittent n’ont pas d’avantage métabolique que ce soit au niveau du glucose et, encore, moins au niveau de l’insuline. Les résultats ne permettent pas de montrer une différence au niveau de la néovascularisation choroïdienne induit par notre modèle. Le modèle de jeûne intermittent choisit ne permet pas d’obtenir des avantages au niveau de la néovascularisation choroïdienne ni pour la sensibilité au glucose et à l’insuline / Age-related macular degeneration (AMD) is one of the most prominent causes of blindness for people over 50 years old. It exists in two forms: dry and wet. The form causing majority of loss of sight is caused by wet AMD from where new abnormal blood vessels form in retina. This process is called choroidal neovascularization. This is caused by degeneration of outer portion of the retina and an increase in VEGF that instigate the growth of the new blood vessels. Obesity, hypertension, diabetes and smoking are known to be modifiable factors and strongly correlated with the disease. The advent of a vast number of trendy diets has introduced the possibility of modulating chronic disease by modifying eating habits. As an example, intermittent fasting can impacting obesity, hypertension, and diabetes. Indeed, this diet has been known to improve health, increase sensitivity of insulin and glucose, lower cholesterol and to have beneficial effect in obesity. The purpose of the research in my master’s thesis is to evaluate the influence of diet cycle, intermittent fasting on choroidal neovascularization in a mouse model of AMD. We hypothesized that the intermittent fasting could be diminish the choroidal neovascularization. There are several experimental paradigms that reproduce intermittent fasting. We selected the intermittent fasting 2 days of eating for one day of fasting (IF 2:1). Our results show that mice on our selected intermittent fasting regimen did not lose weight and follow the same pattern of weight gain as the mice that fed ad libitum. Furthermore, the mice on this intermittent fasting diet paradigm didn’t have metabolic benefits on glucose or insulin tolerance. Our results also did not show any differences in choroidal neovascularization. Hence, the 2:1 paradigm of intermittent fasting didn’t show any benefits on choroidal neovascularization, nor glucose and insulin.

No description available.

La sous-rétine, comprenant la choroïde et l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR), joue un rôle crucial dans le maintien de la vision. La choroïde est l’une des composantes essentielles de la sous rétine, puisqu’elle fournit exclusivement l’EPR et le photorécepteur en O2 et en nutriments. L’EPR transporte l’oxygène et les nutriments à la neurorétine pour répondre aux besoins énergétiques de cette dernière. Le rôle de l’EPR est essentiel dans le maintien de l’intégrité de la choroïde. Pour ce faire, les cellules de l’EPR utilisent le lactate, un sous-produit de la glycolyse. Nous savons que les intermédiaires métaboliques, comme le lactate, exercent des fonctions spécifiques via les récepteurs de signalisation. Il est également connu que le HCAR1 (aussi appelé GPR81) est un récepteur d’acide hydrocarboxylique impliqué dans l’adaptation aux changements métaboliques. HCAR1 peut être stimulé spécifiquement par le lactate à des concentrations physiologiques (1-5 mM). De surcroît, il est intéressant de constater que HCAR1 joue un rôle important dans d’autres processus physiologiques et pathologiques, comme l’inhibition de la lipolyse, la suppression de la réponse inflammatoire et la régulation de l’angiogenèse de la rétine interne. Étant donné l'importance de HCAR1 dans la régulation de l'angiogenèse rétinienne, nous avons émis l'hypothèse qu'au cours du développement, les altérations ontogéniques du récepteur du lactate pourraient contrôler l'intégrité de la vascularisation choroïdienne. C'est pourquoi, nous avons étudié les mécanismes qui régissent les fonctions de HCAR1 ainsi que son rôle dans l’intégrité choroïdienne. En utilisant l'immunohistofluorescence, nous avons découvert que HCAR1 est exclusivement exprimé dans les cellules de l’EPR et que la stimulation avec du lactate chez la souris sauvage facilite l’angiogenèse choroïdienne (in vivo et ex vivo). Contrairement aux souris sauvages, les souris Hcar1-/- présentent, pendant leur développement, un réseau vasculaire choroïdien significativement plus mince (en utilisant la coloration à la lectine). Nous avons observé que les souris déficientes en HCAR1- montrent un stress du réticulum endoplasmique (RE) par la phosphorylation du facteur eIF2α, ce qui entraîne une diminution significative du taux de traduction des protéines globales et, un taux de prolifération plus faible dans la vascularisation choroïdienne (en utilisant le marqueur ki-67). De plus, les souris Hcar1-KO présentent également un stress oxydatif qui, lorsqu’associé au stress du RE, provoque l’activation de la voie de la réponse au stress intégré (ISR). L’inhibition de la réponse du stress intégrée par l’utilisation de l’inhibiteur (ISRIB) renverse de façon remarquable les effets de la phosphorylation d’elF2α, restaure la traduction des protéines et renverse le processus d’amincissement choroïdien. Cette étude révèle un nouveau rôle pour HCAR1 dans le développement de la vascularisation choroïdienne, au point que sa déficience provoque un stress du RE et donc une traduction défectueuse des protéines, ce qui limite la croissance de ce tissu vasculaire vital. La restauration de la traduction des protéines maintient l'intégrité de la rétine externe en préservant la choroïde. Lorsque réunies, nos données montrent que le lactate signalé via HCAR1 est important pour le développement et l’angiogenèse choroïdiens et renforce l’importance de ce récepteur dans le développement d’une vision mature. / The sub-retina, comprising the choroid and the retinal pigment epithelium (RPE), is critical in maintaining vision. The choroid is an essential component of the sub-retina as it exclusively supplies O2 and nutrients to the RPE and photoreceptors. RPE transports oxygen and nutrients to the neuroretina to support its energy demands. Furthermore, RPE plays a crucial role in maintaining the integrity of the choroid. RPE cells mainly utilize lactate, a significant by-product of glycolysis. Metabolic intermediates such as lactate have been found to exert specific functions via signaling receptors. Now, it is known that HCAR1 (also termed GPR81) can be specifically stimulated by lactate at physiological concentrations (1-5 mM) and, therefore, can be considered as a hydrocarboxylic acid receptor involved in adaptation to metabolic changes. Interestingly, HCAR1 plays an essential role in various physiologic and pathologic processes, such as inhibiting lipolysis, suppressing the inflammatory response, and regulating inner-retinal angiogenesis. Given the relevance of HCAR1 in the regulation of retinal angiogenesis, we hypothesized that during development, ontogenic alterations in the lactate receptor could control the integrity of the choroidal vasculature. Therefore, we investigated the role of HCAR1 in choroidal integrity and the mechanisms that govern its functions. Using immunohistofluorescence, we found that HCAR1 is exclusively expressed in RPE cells, and notably, lactate stimulation in WT mice facilitated choroidal angiogenesis (in vivo and ex vivo). On the contrary, Hcar1-/- mice display a significantly thinner choroidal vasculature during development (using lectin staining). We observed that HCAR1-deficient mice display ER stress through phosphorylation of the eIF2α factor, leading to a significant decrease in the global protein translation rate and a lower proliferation rate (using the Ki-67 marker) in the choroid vasculature. In addition, Hcar1-KO mice exhibit oxidative stress, which, along with ER stress, results in activation of the Integrated Stress Response (ISR) pathway. Remarkably, inhibition of Integrated Stress Response using an inhibitor (ISRIB) reverses the eIF2α phosphorylation effect, restores protein translation and rescues choroidal thinning. This study reveals a novel role for HCAR1 in the development of choroidal vasculature to the point where its deficiency causes ER stress and, therefore, defective protein translation, which restricts the growth of this vital vascular tissue. Protein translation restoration maintains the integrity of the outer retina by preserving the choroid. Taken together, our data show that lactate signaling via HCAR1 is important for choroidal development/angiogenesis and reinforces the importance of this receptor in developing mature vision.