La maladie d'Alzheimer (MA) constitue la cause de démence la plus répandue à travers le monde, pour laquelle il n’existe aucun traitement à ce jour. La MA est une maladie neurodégénérative associée à une détérioration progressive de la mémoire et au déclin cognitif, menant ultimement à la perte des fonctions exécutives. Cette maladie se caractérise principalement par l'accumulation et l'agrégation de la protéine neurotoxique bêta-amyloïde (Aβ) dans la neurovasculature et le parenchyme cérébral, coïncidant avec la dysfonction et la dégénérescence des neurones. Malheureusement, les causes exactes de la maladie demeurent inconnues. Toutefois, des études ont souligné le dysfonctionnement de la vasculature cérébrale et de l’immunité innée dans la pathophysiologie de la MA, soit deux systèmes biologiques cruciaux pour le maintien de l’homéostasie au cerveau. Afin d’étudier leurs rôles dans les cascades neurodégénératives observées dans la MA, nous avons réalisé trois études distinctes visant à moduler la fonctionnalité de ces deux systèmes biologiques importants. Pour ce faire, nous avons employé diverses approches, d’abord chirurgicale pour induire la défaillance de la vasculature cérébrale, ensuite pharmacologique dans le but de réguler la réponse immunitaire au cerveau, et enfin, en modélisant deux facteurs de risques majeurs associés à la MA, soit l’âge et la diète riche en gras, afin d’identifier les mécanismes régissant la dysfonction de ces systèmes. Les résultats de ces trois études constituant cette thèse soulignent le rôle crucial de la vasculature cérébrale et de l’immunité innée dans le maintien de l’homéostasie au cerveau, impliquant non seulement l’élimination de l’Aβ, mais également la régulation de la réponse inflammatoire, favorisant ainsi un environnement sain pour les neurones. En ce sens, nos résultats suggèrent que leur défaillance contribuent inévitablement à l’initiation des cascades neurodégénératives observées dans la MA. Les retombées de ces travaux auront sans nul doute approfondi notre compréhension de cette terrible maladie. / Alzheimer's disease (AD) constitutes the most common cause of dementia worldwide, for which there is no curative treatment to date. AD is a neurodegenerative disease associated with progressive memory impairment and cognitive decline, which ultimately leads to the loss of executive functions. The main pathological hallmark is the accumulation and aggregation of the neurotoxic amyloid-beta (Aß) peptide within the neurovasculature and the brain parenchyma, coinciding with the dysfunction and degeneration of neurons. Unfortunately, the exact causes of AD remain unknown. However, several studies have highlighted the dysfunction of the cerebral vasculature and innate immunity in the pathophysiology of AD, which are two crucial biological systems for homeostasis in the brain. To investigate their implications in neurodegenerative cascades observed in AD, we conducted three separate studies to modulate the function of these important biological systems. To this end, we used various approaches, first surgical to induce cerebral vasculature dysfunction, then pharmacological in order to regulate the immune response in the brain, and finally, we modeled two major risk factors associated with AD, namely age and high fat diet, in order to identify mechanisms underlying the dysfunction of these systems. Our results obtained from these studies that constitute this thesis emphasize the crucial role of the cerebral vasculature and innate immunity in the maintenance of homeostasis in the brain, involving, on one hand, the elimination of Aß and, on the other hand, the regulation of the inflammatory response, thus promoting a healthy environment for neurons. As such, our results suggest that their dysfunction will inevitably contribute to the initiation of neurodegenerative cascades observed in AD. The impact of this work will undoubtedly deepen our understanding of this terrible disease.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par une perte synaptique et neuronale. La présence de mutations dans le gène codant pour la Préséniline 1 (PS1) conduit à une forme très agressive de la MA et les mutants PS1 pourraient amplifier la perte synaptique et neuronale. La MA est aussi marquée par une augmentation de la protéine Butyrylcholinestérase (BuChE) qui joue un rôle dans la dégradation de l’Acétylcholine (ACh). De plus, l’ACh est diminuée dans la MA. La Synaptophysine (Syn), marqueur de la synaptogenèse est aussi diminuée dans la MA. Des études antérieures au laboratoire ont démontré une interaction de PS1 avec la Neural-Plakophilin-Related Armadillo Protein(NPRAP), une protéine neuronale dont la délétion du gène entraîne des déficits cognitifs importants. De précédents travaux au sein du laboratoire ont mis en évidence que NPRAP module l’expression du gène de BuChE et semble également intervenir dans l’expression de Syn. De plus, nous avons identifié une mutation dans le gène NPRAP qui serait associée au développement de la MA. L’hypothèse de mon projet de maitrise est que PS1 et NPRAP sont importants pour le maintien de l’intégrité neuronale, via Syn et BuChE. Mon objectif est d’étudier l’effet de PS1 et NPRAP sauvageset mutantes (PS1 L392V / PS1 M146L / NPRAP G810R) sur la modulation des niveaux protéiques et de l’ARNm de Syn et BuChE. Le niveau protéique et d’ARNm de Syn et BuChE ont été analysé dans les cellules HEK-293 et SH-SY5Y. Nous avons également vérifié l’expression de Syn et BuChE au niveau cellulaire par l’immunofluorescence. Les résultats obtenus mettent en évidence une augmentation du niveau de BuChE dans les cellules SH-SY5Y transfectées par PS1-M146L et NPRAP sauvage. Aucune modulation du niveau protéique ou de l’ARNm de synaptophysine n’a été détecté et les analyses d’immunofluorescence ne sont pas concluantes. Des analyses supplémentaires permettront de valider l’impact de PS1 M146L et NPRAP sauvage sur l’expression de BuChE. / Alzheimer’s disease (AD) is characterized by synaptic and neuronal loss. The presence of mutations on the Presenilin 1 (PS1) gene are associated with a very aggressive form of AD and these mutations could amplify the synaptic and neuronal loss. AD is also characterized by the increase in Butyrylcholinestérase protein (BuChE) which plays a role in acetylcholine (ACh) degradation. Moreover, ACh is decreased in AD. Synaptophysin protein (Syn), a marker of synaptogenesis has also been shown to be decreased in AD. Prior studies in the laboratory demonstrated an interaction between PS1 andNeural-Plakophilin-Related Armadillo Protein (NPRAP), a neuronal protein whose gene deletion causes important cognitive dysfunctions. Previous work has shown that NPRAP modulates expression of BuChE gene and seems to be involved in Syn expression. Furthermore, we identified a mutation in NPRAP’s gene that could be associated with the development of AD.My hypothesis is that PS1 and NPRAP are important for the maintenance of neuronal integrity, via Syn and BuChE. My objective was to study the effect of the wild-type and mutated form of PS1 and NPRAP (PS1 L392V / PS1 M146L / NPRAP G810R) on the modulation of Syn and BuChE’s levels. Syn and BuChE’s expression were analysed at the protein level and ARNm level in HEK-293 and SH-SY5Y cells. We also verified Syn and BuChE expression at the cellular level by Immunofluorescence. The results obtained seems to indicate an increase of the level of BuChE in SH-SY5Y transfected cells by PS1-M146L and NPRAP sauvage. There is no significant variation of Syn level and immunofluorescence analysis were not conclusive. Other experiments will be necessary to verify the impact of PS1 M146L and NPRAP sauvage on the expression of BuChE’s.

La maladie d’Alzheimer (MA) est la démence la plus répandue dans le monde. Les deux marqueurs histopathologiques de la MA sont les plaques amyloïdes, formées d'agrégats du peptide bêta-amyloïde, et les enchevêtrements neurofibrillaires, composés de la protéine Tau anormalement hyperphosphorylée. La pathologie Tau a un rôle important dans la maladie puisque son étendue corrèle avec le degré du déficit cognitif des patients. La majorité des cas de MA est d’origine sporadique dont les causes demeurent encore méconnues; elles semblent être multifactorielles, avec des facteurs externes, biologiques et/ou génétiques qui accélèrent la manifestation de la maladie. Des études épidémiologiques ont démontré que le statut métabolique des individus au cours de leur vie influence le risque de MA. En effet, des altérations métaboliques comme un diabète de type 2 (DT2) ou une obésité sont reconnus comme facteurs de risque de la MA. Or, le nombre de cas de DT2 et d’obésité est en pleine croissance à cause de la sédentarisation des populations, ce qui suggère que l’incidence de la MA pourrait suivre cette inquiétante augmentation. Il est donc indispensable de mieux comprendre l’impact de ces altérations métaboliques sur la MA afin d’espérer ralentir son évolution. De nombreuses études ont évalué l’impact du DT2 et de l’obésité sur la pathologie amyloïde in vivo, mais les études sur la pathogenèse de Tau sont plus rares et présentent une importante divergence des résultats. Dans ce contexte, notre hypothèse est que le diabète et de l’obésité peuvent promouvoir la pathologie Tau in vivo. Notre 1e objectif était donc d’examiner la phosphorylation de la protéine Tau dans deux modèles murins qui développent spontanément une obésité et un DT2 : les souris ob/ob et db/db. Une hyperphosphorylation de Tau est observée dans le cerveau des deux modèles, principalement due à une hypothermie. En effet, ces souris sont hypothermiques et la normothermie restaure une phosphorylation de Tau semblable aux souris contrôles. Comme la caféine s'est révélée bénéfique pour le diabète, l'obésité et la phosphorylation de Tau, nous l'avons utilisé comme traitement thérapeutique chez les souris ob/ob. Cependant, la consommation de caféine chronique a exacerbé l'hyperphosphorylation de Tau en favorisant une hypothermie plus profonde. Notre 2e objectif était d’évaluer l’impact du DT2 et de l’obésité sur pathogenèse de Tau dans des conditions plus proches de la pathologie humaine. Pour cela, nous avons nourri des souris hTau, exprimant la protéine Tau humaine, avec des régimes riches en graisses, cholestérol et/ou sucre, reconnus pour induire l’obésité et le DT2 chez l’humain. D'autre part, la restriction calorique et l'exercice physique ont été caractérisés pour réduire l'incidence et l’évolution des troubles métaboliques ainsi que la MA. Nous avons évalué leur impact sur la pathologie Tau chez ces souris obèses comme stratégies thérapeutiques. Nous n'avons trouvé aucun effet du gras, du sucre et du cholestérol, même combinés, sur la phosphorylation, l'O-GlcNAcylation, l'épissage, le clivage et l'agrégation de Tau, suggérant que leur surconsommation n’aggrave pas la pathologie Tau chez ces souris. De plus, nous avons observé un effet bénéfique de l'exercice sur la phosphorylation Tau et un effet délétère de la restriction calorique sur l'agrégation de Tau chez les souris hTau obèses. Enfin, notre 3e objectif était d’explorer les effets d’une déficience en insuline sur la pathologie Tau chez les souris hTau par injection de streptozotocine, une toxine qui détruit les cellules productrices d'insuline. Les souris hypoinsulinémiques présentent une hyperphosphorylation de Tau dans le cerveau sans agrégation, par inhibition de PP2A, la phosphatase majeur de Tau. L’ensemble de ces résultats suggère que i) les perturbations métaboliques peuvent induire l'hyperphosphorylation de Tau de manière indirecte, en perturbant la thermorégulation; ii) les régimes hypercaloriques ne semblent pas modifier l'homéostasie de Tau en conditions strictement contrôlées; iii) la déficience en insuline peut induire l'hyperphosphorylation de Tau sans pour autant conduire à son agrégation. Nous révélons également que les stratégies utilisées pour réduire la MA doivent être adapté avec le statut métabolique des patients pour éviter l'exacerbation des diverses neuropathologies de la MA. Ces données se confrontent à certains travaux publiés et montrent que les relations entre le métabolisme et la MA peuvent être moins directes que pensées. Ce travail pose des bases de rigueur et de méthodologie qui pourrait contribuer à éviter certains biais pour les études futures. / Alzheimer's disease (AD) is the leading form of dementia worldwide. The two histopathological markers of AD are senile plaques composed of amyloid- peptide, and neurofibrillary tangles of abnormally hyperphosphorylated Tau protein. Tau pathology is important since it correlates with the degree of cognitive impairment in AD patients. The majority of AD cases are of sporadic form whose causes are still unknown; it seems to be multifactorial, with external, biological and/or genetic, which accelerate the manifestation of the disease. Epidemiological studies have shown that metabolic status of individuals during their life strongly increases the risk of developing AD. Indeed, metabolic disorders such as type 2 diabetes (T2D) or obesity are described as risk factors for AD. New cases of T2D and obesity is increasing because of people sedentarization, suggesting that the incidence of AD cases could follow this worrying growth. Therefore, it is essential to better understand the impact of these metabolic disorders on AD. Many studies have evaluated the impact of T2D and obesity in vivo on amyloid pathology, but there are fewer studies on the pathogenesis of Tau and they exhibit some discrepencies between results. In this context, our hypothesis is that diabetes and obesity could promote Tau pathology in vivo. Our first aim was thus to evaluate the phosphorylation of Tau protein in two mouse models that spontaneously develop obesity and DT2: the ob/ob and db/db mice. Significant hyperphosphorylation of Tau was observed in the brain of these two models, mainly due to hypothermia. Indeed, ob/ob and db/db mice were hypothermic and normothermia restored Tau phosphorylation similar to control levels. As caffeine has been shown to be beneficial for diabetes, obesity and Tau phosphorylation, we used it as a therapeutic treatment in ob/ob mice. Unexpectedly, chronic caffeine consumption exacerbated Tau hyperphosphorylation in ob/ob mice by promoting deeper hypothermia. Then, our second aim was to assess the impact of T2D and obesity on Tau pathogenesis in conditions closer to human pathology. For this purpose, we fed hTau mice, expressing the human Tau protein, with high-fat, high-cholesterol and/or high-sugar diets, described to induce obesity and DT2 in humans. On the other hand, caloric restriction and physical activity have been characterized to reduce the incidence and outcome of metabolic disorders as well as AD. We evaluated their impact on Tau pathology in obese hTau mice as therapeutic strategies. Surprisingly, we found no effect of fat, sugar and cholesterol, even combined, on Tau phosphorylation, O-GlcNAcylation, splicing, cleavage and aggregation, suggesting that their overconsumption does not worsen Tau pathology in these mice. Moreover, we observed a beneficial effect of exercise on Tau phosphorylation and a deleterious effect of caloric restriction on Tau aggregation in obese hTau mice. Finally, our last aim was to examin the effects of insulin deficiency on Tau pathology in hTau mice using streptozotocin injection, a toxin that destroys insulin producing cells. Hypoinsulinemic mice exhibited Tau hyperphosphorylation in the brain without aggregation through inhibition of PP2A, the main Tau phosphatase. All these results suggest that i) metabolic alterations can induce Tau hyperphosphorylation indirectly, by disrupting thermoregulation; ii) hypercaloric diets do not appear to modify Tau homeostasis under strictly controlled conditions; iii) insulin deficiency may induce Tau hyperphosphorylation without, however, leading to its aggregation. We also revealed that the strategies used to reduce AD have to be adapted to the meatbolic status of patients to avoid the exacerbation of some neuropathologies of AD. These data object to some published research and show that the relationship between metabolism and AD may be less direct than thought. This work establishes a basis of rigor and methodology, which could help to avoid some biases for future studies.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la principale cause de démence chez les personnes âgées et affecte environ vingt-quatre millions de personnes à travers le monde. Au Canada, il est estimé que d'ici 2030 plus d'un million de personnes pourrait vivre avec une démence. Outre les symptômes cliniques, comme la perte mémoire et les changements de personnalité, la maladie d'Alzheimer est caractérisée par l'accumulation cérébrale de plaques séniles composées d'agrégats extracellulaires de peptides Aβ ainsi que d'enchevêtrement s neurofibrillaires constitués de la protéine tau hyperphosphorylée sous sa forme insoluble. D'autres dysfonctions peuvent être observées, notamment les déficits vasculaires qui seraient les premiers à apparaitre avant tout premier symptôme clinique. De manière intéressante, les personnes atteintes de démence incluant la maladie d'Alzheimer ont été touchées de manière disproportionnée par la pandémie COVID-19. De plus, ces deux maladies partagent des facteurs de risque communs comme l'âge, les maladies cardiovasculaires ou encore l'obésité. Ainsi, des associations entre le risque d'infection par le SRAS-CoV-2, virus responsable de la pandémie COVID-19, et le déclin cognitif sont actuellement explorés afin d'en comprendre les mécanismes. L'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) est une carboxypeptidase transmembranaire considérée comme étant le principal site d'entrée du virus SARS-CoV-2 à l'intérieur des cellules mais elle appartient également au système rénine-angiotensine, régulateur clé de la pression artérielle. Cependant, bien que la protéine ACE2 soit exprimée dans le cerveau, sa localisation cellulaire et ses rôles restent obscures. De même, les connaissances sur ACE2 dans un cas pathologique comme celui de la maladie d'Alzheimer restent limitées. Ainsi, l'objectif générale de cette thèse était de mieux comprendre ACE2 en lien avec la MA et le déclin cognitif. Dans un premier temps, des échantillons cérébraux provenant de 60 volontaires d'une grande étude longitudinale clinique et neuropathologique, la Religious Order Study, ont été utilisés. Pour chaque sujet, nous avons étudié trois fractions distinctes; une fraction TBS-soluble qui comporte les protéines extracellulaires et cytoplasmiques, une fraction détergent-soluble qui comporte les protéines membranaires et enfin une fraction enrichie en microvaisseaux. Les résultats d'immunobuvardage ont montré une augmentation des niveaux d'ACE2 chez les sujets atteints de la MA dans la fraction TBS-soluble et ces niveaux étaient corrélés de manière négative avec le score cognitif global. D'autres associations ont été mises en évidence, notamment avec des marqueurs neurovasculaires. Des mesures d'ARNm et protéiques dans une seconde cohorte (n=82) ont également confirmé l'augmentation des niveaux cérébraux d'ACE2. Ces résultats, différents de ceux disponibles dans la littérature, montrent que les niveaux de notre protéine d'intérêt sont altérés dans la MA. Concernant la localisation cellulaire cérébrale, de prime abord, encouragés du fait des résultats de séquençage d'ARN sur cellule unique (scRNAseq) chez la souris, nous nous attendions à observer une expression vasculaire majoritaire dans les échantillons humains. Nos résultats ont pourtant montré que, contrairement à la souris, chez l'humain, ACE2 est autant exprimé au niveau parenchymal que vasculaire. Par ailleurs, une forte expression au niveau des neurones, incluant leurs noyaux, a été observée grâce aux techniques d'immunofluorescence et d'immunohistochimie. En utilisant comme outil expérimental la souris 3xTg-AD, nous avons mis en évidence que les niveaux d'ACE2 n'étaient pas impactés par la neuropathologie Alzheimer Aβ et tau, ni par l'âge ou la prise d'une diète enrichie en gras. Ces derniers résultats sont toutefois à interpréter avec précaution, étant donné la différence d'expression cellulaire entre l'human et la souris. En somme, ces résultats montrent que les niveaux de la protéine ACE2 sont impactés dans la MA et que son expression n'est pas seulement vasculaire chez l'humain. Bien que son rôle dans le système rénine angiotensine ne soit plus à démontrer, il est possible que ses mécanismes d'action au niveau neuronal soi ent sous-estimés en raison du manque d'études à son sujet. Ces nouveaux résultats mettent en avant de nouvelles potentielles cibles pour mieux comprendre la MA et appréhender ses mécanismes sous-jacents, ce qui in fine pourra conduire à développer de meilleurs traitements pour la pathologie. / Alzheimer's disease (AD) is the leading cause of dementia in older adults and affects approximately twenty-four million people worldwide. In Canada, it is estimated that by 2030 more than a million people could be living with dementia. In addition to clinical symptoms, such as memory loss and personality changes, Alzheimer's disease is characterized by the brain accumulation of senile plaques composed of extracellular aggregates of Aβ peptides as well as neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau protein in its insoluble form. Other dysfunctions can be observed and in particular vascular deficits which would be the first to appear before any first clinical symptom. Interestingly, people with dementia including Alzheimer's disease have been disproportionately affected by the COVID-19 pandemic. In addition, these two diseases share common risk factors such as age, cardiovascular diseases and obesity. Thus, associations between the risk of infection by SARS-CoV-2, the virus responsible for the COVID-19 pandemic, and cognitive decline are currently being explored in order to understand their mechanisms. Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is a transmembrane carboxypeptidase considered to be the main entry site of the SARS-CoV-2 virus inside cells but it also belongs to the renin-angiotensin system, a key regulator of blood pressure. However, although the ACE2 protein is expressed in the brain, its cellular localization and roles remain unclear. Likewise, knowledge of ACE2 in a pathological case such as Alzheimer's disease remains limited. Thus, the general objective of this thesis was to better understand ACE2 in relation to AD and cognitive decline. First, brain samples from 60 volunteers from a large longitudinal clinical and neuropathological study, the Religious Order Study, were used. For each subject, we studied three distinct fractions; a TBS-soluble fraction which includes extracellular and cytoplasmic proteins, a detergent-soluble fraction which includes membrane proteins and finally a fraction enriched in microvessels. Immunoblot results showed increased ACE2 levels in AD subjects in the TBS-soluble fraction and these levels were negatively correlated with the global cognitive score. Other associations have been highlighted, notably with neurovascular markers. mRNA and protein measurements in a second cohort (n=82) also confirmed increased brain levels of ACE2. These results, rather different to those available in the literature, show that the levels of our protein of interest are altered in AD. Concerning cerebral cellular localization, at first glance, encouraged by the results of single cell RNA sequencing (scRNAseq) in mice, we expected to observe a mostly vascular expression in human samples. However, our results showed that in humans, ACE2 is expressed as much at the parenchymal as at the vascular level. Furthermore, strong expression in neurons, including their nuclei, was observed using immunofluorescence and immunohistochemistry techniques. Using the 3xTg-AD mouse as an experimental tool, we demonstrated that ACE2 levels were not impacted by Alzheimer's neuropathology -i.e. Aβ and tau-, nor by age or intake of a fat-enriched diet. These latest results should however be interpreted with caution, given the difference in cellular expression between humans and mice. In summary, these results show that ACE2 protein levels are impacted in AD and that its expression is not only vascular in humans. Besides its role in the renin-angiotensin system, it is possible that its mechanisms of action at the neuronal level are underestimated due to a lack of studies. These novel results highlight new potential targets to better understand AD and understand its underlying mechanisms, which ultimately could lead to the development of better treatments for the pathology.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus fréquente dans le monde, son incidence augmente au cours des années dû à un vieillissement de la population et à manque de thérapies efficaces. L'étiologie de la maladie est associée à une altération de la mémoire et du comportement ainsi qu'à l'accumulation de la bêta-amyloïde (Aβ) dans le parenchyme et les vaisseaux sanguin du cerveau. Ces dépôts aberrants sont la conséquence d'une altération de l'élimination du peptide. Depuis quelques années des évidences venant des expériences menées en laboratoire montrent que l'injection de certaines molécules ont des effets bénéfiques sur la MA, tant au niveau cognitif que sur la présence d'Aβ. Une de ces molécules est le macrophage-colony stimulating factor (m-CSF) et son récepteur (CSF1R). Cette voie de signalisation a fait l'objet de plusieurs études dans le contexte de la MA or l'implication de son récepteur dans le processus pathologique est peu connu. Les études incluses dans cette thèse de doctorat avaient pour but de mieux comprendre le rôle du CSF1R sur la prolifération et la survie microgliale dans un contexte non-pathologique ainsi que dans un modèle animal de la MA. Plusieurs études indiquent que ce récepteur est primordial pour la survie, l'activation et la prolifération microgliale. Nous avons utilisé une approche du style « perte de fonction » pour étudier le CSF1R. Grâce à un modèle de souris knock-out (KO) inductible, nous avons spécifiquement aboli la transcription du récepteur dans les microglies. Dans un premier temps nous avons comparé les fonctions du CSF1R dans deux modèles. Le premier étant purement prolifératif avec pas ou peu d'inflammation. Le second un modèle inflammatoire. Nous avons observé que les microglies dans le premier modèle étaient capables de proliférer et donc survivaient au KO. Dans le second modèle, les cellules microgliale perdaient leur capacité proliférative mais survivaient. Nous avons pu déduire que le CSF1R au stade adulte n'a vraisemblablement qu'un effet accessoire sur la prolifération et il ne semble pas être impliquer dans la survie microgliale. En utilisant la même approche, nous avons supprimé comme précédemment le CSF1R dans un modèle de souris Alzheimer APP[indice swe/PS1]. Dans cette étude nous montrons là aussi que non seulement le CSF1R n'a pas de rôle sur la survie et la prolifération des microglies, mais en plus on observe une diminution des symptômes associés à la MA. À savoir une diminution du déclin cognitif ainsi que de la charge amyloïde. Ensembles ces données nous montre de nouvelles informations sur CSF1R. Son rôle n'est pas aussi primordial dans certaines fonctions microgliale à l'âge adulte. / Alzheimer's disease (AD) is the most frequent neurodegenerative disease in the world, its incidence increases every year due to the aging of the population and a lack of therapies. AD etiology is associated with an alteration of cognitive functions and aberrant accumulation of amyloid-beta (Aβ) in the parenchyma and blood vessels in the brain. Aβ deposits are due to an impairment of phagocytosis. For many years, experimental evidence shown that injections of different molecules could have beneficial effects on AD course, either cognition or amyloid load. One of these molecules is macrophage-colony stimulating factor (m-CSF) and its receptor (CSF1R). This signaling pathway was extensively studied in AD context, but it remains largely unknown. Studies which are included in thesis, aimed to better understand the role of CSF1R on microglia proliferation and survival in both healthy and AD context. Many studies mentioned that CSF1R has a crucial impact on these functions. We used a "loss of function" approach to study this receptor. We used an inducible knock-out (KO) mice model, where microglia are specifically deleted of CSF1R. In the first time we compared CSF1R function in two models. The first model is a pure proliferative model without or barely without inflammation, the second is a model with a robust inflammatory response. We observed in the first model that microglia were still able to proliferate and survived to the KO, whereas in the second model, microglia were unable to proliferate but they also survived. We deducted that CSF1R at adult stage, has an accessory role on proliferation and has no major impact on microglia survival. Using the same approach, we have deleted the receptor in a mouse model of AD, namely APP[subscript swe/PS1]. Likewise, in this study we have shown that CSF1R was not required for proliferation and survival, moreover we observed an improvement of cognition and a reducing level of amyloid. Altogether, these data provide a new insight on CSF1R functions, its role is not as primordial for microglia as we though.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / L’unité neurovasculaire (NVU) est centrale dans l’élimination de la β-amyloïde dont l’accumulation promeut le développement de la maladie d’Alzheimer (AD). Suivant une perturbation vasculaire, le bris ou l’altération de la barrière hématoencéphalique induit le remodelage de la NVU. Par exemple, les cellules endothéliales sécrètent l’activateur tissulaire du plasminogène (t-PA), ce qui module les cellules composant la NVU. C’est pourquoi, nous nous sommes intéressés à ce remodelage dans la AD en étudiant l’effet de l’hypoperfusion cérébrale chronique sévère (SCCH) et de l’administration du t-PA. Suite à la SCCH, les souris développant la AD, APPswe/PS1, démontrent un déclin cognitif plus important causé par un dysfonctionnement des microglies. En contre partie, nous avons observé une amélioration des fonctions cognitives des APPswe/PS1 suite à l’injection systémique du t-PA qui induit l’activation des microglies via la protéine apparentée au récepteur des protéines de faibles densité, LRP1, et promeut l’élimination de l’Aβ. Ainsi, nos résultats démontrent que le remodelage de la NVU peut aggraver la pathogenèse, mais également fournir des pistes de traitement. / Brain remodeling by the neurovascular unit (NVU) has gain interest in disease such as Alzheimer’s disease (AD). Following vascular perturbation, NVU go through remodeling due to disruption or alteration of brain-blood barrier. One of the molecule inducing remodeling is the tissue-plasminogen activator (t-PA) released by endothelial cells. In fact, t-PA can act both as an enzyme and a cytokine. Thus, we studied the effect of vascular perturbation and t-PA system in AD. By developing a new model of a severe chronic cerebral hypoperfusion (SCCH), we demonstrate that SCCH aggravates memory loss in AD mice, APPswe/PS1, due to microglia dysfunction. Indeed, low glucose environment lowers microglia’s activity and phagocytosis capacity. On the other hand, systemic administration of t-PA improves cognition as well as decreases amyloid burden in APPswe/PS1. Acting as a cytokine, rt-PA binds LRP1 which induces microglia’s activation and promotes amyloid elimination. These data suggest that NVU remodeling occurring in AD may participate in the disease pathogenesis and provide new insight of treatment, such as rt-PA.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 août 2023) / L'objet de cette thèse est l'étude de différents modèles mathématiques décrivant le vieillissement du cerveau et l'évolution de la maladie d'Alzheimer. Je porte un regard critique sur les différents modèles publiés et j'en développe un nouveau qui corrige les lacunes des modèles existant. Il n'existe pour l'instant aucun traitement efficace pour les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. De plus, étant donné le vieillissement de la population et la perte d'autonomie des personnes atteintes, les coûts humains et sociaux de cette maladie sont dramatiques et ne cessent d'augmenter. Les causes et les mécanismes biologiques impliqués dans le développement de cette maladie sont nombreux et semblent interagir de manière non linéaire. Les recherches se concentrant sur une cause ou un facteur unique n'ont pas donné les résultats escomptés. Pour ces raisons, les modèles mathématiques peuvent nous aider à comprendre l'impact des différents facteurs impliqués et de tester in silico l'impact de différentes stratégies thérapeutiques. Dans un premier temps, j'ai effectué une revue systématique des différents articles publiés contenant des modèles mathématiques décrivant le développement de la maladie d'Alzheimer, ce qui constitue le chapitre 1 de cette thèse. Les modèles utilisent pour la plupart des systèmes d'équations différentielles ordinaires(EDOs) et/ou des systèmes d'équations aux dérivées partielles (EDPs). Dans le chapitre 2, je présente les outils mathématiques nécessaires pour résoudre ces modèles. Il existe de nombreuses recettes numériques pour résoudre des systèmes d'EDOs ou d'EDPs. Étant donné les différentes échelles de temps impliquées dans la développement de la maladie d'Azheimer, le système résultant d'ÉDOs peut être délicat à résoudre numériquement. Je discute des méthodes adaptées à la résolution de notre problème. Au chapitre 3, je donne une introduction à l'analyse de sensibilité. L'analyse de sensibilité est importante pour plusieurs raisons que ce soit pour quantifier l'incertitude ou pour l'identification de paramètres critiques. Du point de de vue mathématique, il existe plusieurs outils pour calculer les sensibilités et le choix de la méthode dépend du contexte. Dans ce chapitre, je discute de l'importance d'effectuer des analyses de sensibilité et je présente les méthodes les plus appropriées pour notre cas. Au chapitre 4, je présente en détail le modèle développé par Hao et Friedman. Ce modèle comporte un système de 18 EDOs. Je discute des forces et des faiblesses de ce modèle et en particulier des facteurs qui rendent les résultats impossibles à reproduire. Je développe finalement une version améliorée de ce modèle avec une description plus réaliste des différents facteurs impliqués dans le développement de la maladie d'Alzheimer. / The main objective of this thesis is to study different mathematical models describing brain aging and the progression of Alzheimer's disease (AD). I critically review different published papers with mathematical models of AD and I develop a new one improving upon existing works. There exists no efficient treatment to help patients suffering from AD. Given the worldwide population aging and the loss of autonomy caused by AD, the human and social economical costs of AD are staggering and keep increasing. The causes and mechanisms involved in the development of AD are numerous and seem to interact in a nonlinear fashion. Research focusing on a single factor has not yielded the expected results. Given all this, mathematical modeling can be a useful tool to help us understand how the different elements of interest interact with each other and play a role in AD progression. Mathematical models can also be used to test in silico different potential therapeutic strategies. I first performed a scoping review of different published papers describing mathematical models of AD on set and progression. This corresponds to chapter 1 of this thesis. For the most part, mathematical models use either systems of ordinary differential equations (ODEs) or systems of partial differential equations (PDEs). In chapter 2, I present and discuss the different mathematical tools needed to solve these models. There exist numerous numerical recipes to solve systems of ODEs or PDEs. Given the different temporal scales implied in AD, the resulting ODE system can be delicate to handle numerically. I discuss numerical methods which are well-suited to the resolution of our particular problem. In chapter 3, I give an introduction to sensitivity analysis and present different methods with which one can assess which parameters or factors have a significant impact on the prediction of the models. Sensitivity analysis is important for many reasons, be it to quantify uncertainty or to identify critical parameters. From a mathematical point of view, several tools exist to compute sensitivities and the choice of a particular technique depends on the context and objectives. I discuss the importance of sensitivity analysis and present different algorithms with which one can perform this analysis. I discuss which methods are the most appropriate for our specific problem. In chapter 4, I present in detail the model developed by Hao and Friedman. This model has 18 ODEs. I discuss the strengths and weaknesses of this model and in particular the reasons making the results of Hao and Friedman impossible to reproduce. Finally, I develop an improved version of this model with a more realistic description of the different factors involved in the onset and progression of AD.

Des études récentes ont montré qu'avec l'aide des scènes créées à partir d'environnements naturels tels que les forêts, nous pouvons avoir un impact significatif sur la réduction voire l'amélioration des symptômes de diverses maladies, dont la plus importante est la maladie d'Alzheimer. Les effets de ces études ont été recherchés au fil des ans et des résultats très prometteurs ont été obtenus. De nos jours, l'une des choses qui peut être très étonnante et intéressante est l'expérience de ces environnements naturels par la synthèse des scènes informatiques, notamment via les environnements de réalité virtuelle. Plus le niveau d'immersion de ces environnements naturels conçus en réalité virtuelle est élevé et meilleur, plus il peut contribuer à améliorer les symptômes du patient. L'une des méthodes nouvelles et innovantes pour concevoir et construire des environnements naturels tels que les forêts est l'utilisation de données des scanners laser, qui nous fournissent des résultats très réalistes. Pour cette raison, dans cette étude, nous présentons une forêt virtuelle dérivée de données LiDAR terrestre et améliorée grâce à des techniques d'effets spéciaux.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par un déficit du métabolisme énergétique cérébral. À la surface des cellules endothéliales des capillaires cérébraux (CECC), GLUT1 constitue le principal transporteur de glucose au cerveau. Cette protéine serait sous-exprimée dans les CECC de patients atteints de la MA, limitant ainsi la capacité d’utilisation du glucose par le cerveau. L’objectif général de ce projet était de surexprimer GLUT1 dans les CECC afin de corriger ce déficit. Six plasmides ont été conçus et transfectés sur des cellules en culture. Nous avons mis au point un essai pour mesurer la captation d’un analogue fluorescent du glucose. Nous avons ensuite encapsulé deux des plasmides pour les injecter chez des souris témoins. Même si nos résultats ne permettent pas encore de confirmer le potentiel de GLUT1 comme cible thérapeutique dans la MA, nous avons des plasmides fonctionnels pour poursuivre les essais in vivo futurs. / Impaired brain glucose metabolism is known to be one of the best predictors of cognitive decline in patients with Alzheimer’s disease (AD). A decrease in glucose transporter 1 (GLUT1) in the brain capillary endothelial cells (BCECs) of the blood-brain barrier (BBB) is observed in AD patients and animal models and might contribute to impaired brain glucose uptake in the disease. The main objective of the present work was to upregulate GLUT1 in the BCECs with a targeted delivery approach using plasmids encoding for GLUT1. Six plasmids were assembled and transfected in two cell lines. GLUT1 activity was assessed with a fluorescent glucose analog. Two plasmids were then encapsulated within an immunoliposome formulation and injected to Balb/c mice. We have generated well-characterized GLUT1-expressing plasmids for future work to confirm GLUT1 as a potential therapeutic target for AD.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative qui se manifeste par l’apparition progressive de troubles de la mémoire. Le nombre de personnes affectées par la maladie est en constante hausse, mais il n’existe pour l’instant aucun traitement curatif pour la MA. L’âge avancé est le principal facteur de risque de la MA et est associé à un déficit de thermorégulation. De précédentes études animales montrent d’ailleurs que l’hypothermie augmente la phosphorylation de la protéine tau, l’un des principaux marqueurs neuropathologiques de la MA. La souris triple transgénique (3xTg-AD), un modèle murin de la MA, présente un déficit de thermorégulation qui s’installe progressivement avec le vieillissement et l’apparition de la neuropathologie. Une exposition aigüe au froid aggrave l’hyperphosphorylation de tau dans le cerveau de ces souris, tandis que les placer à une température thermoneutre (28°C) diminue leurs déficits de mémoire et leur pathologie amyloïde. Le tissu adipeux brun (TAB) est le principal siège de la thermogenèse chez les mammifères. La stimulation de son activité, par des expositions au froid ou l’administration d’agonistesdes récepteurs β3 adrénergiques(Rβ3A), permet de diminuer les altérations métaboliques périphériques. Puisque les maladies métaboliques sont des facteurs de risques importants pour la MA, et qu’un déficit de thermorégulation semble aggraver la MA, nous avons émis l’hypothèse que la stimulation du TAB pourrait être bénéfique pour la MA en corrigeant les déficits de thermorégulation et les troubles métaboliques. L’objectif de cette thèse était de déterminer si la stimulation de la thermogenèse du TAB permettait de diminuer la neuropathologie et les déficits comportementaux dans un modèle murin de la MA, la souris 3xTg-AD. Dans un premier temps, nous avons montré que l’âge avancé potentialisaitla phosphorylation de tau induite par une exposition aigüe au froid. Dans un second temps, nous avons montré que de courtes expositions répétées au froid permettaient d’augmenter la capacité de thermogenèse du TAB et de réduire l’intolérance au glucose des souris 3xTg-AD âgées. Une meilleure thermorégulation conférait une protection contre la phosphorylation de tau induite par une exposition aigüe au froid. De plus, nous avons observé une corrélation négative entre les niveaux du facteur de croissance des fibroblastes 21 (FGF21) et la phosphorylation de tau dans l’hippocampe, suggérant que cette hormone produite par le TAB est impliquée dans la neuroprotection contre une exposition aigüe au froid. Finalement, nous avons investigué l’effet d’un agoniste des Rβ3A sur la neuropathologie et la mémoire des souris 3xTg-AD âgées. Cette approche pharmacologique a permis d’améliorer la tolérance au glucose et d’augmenter la thermogenèse du TAB des souris 3xTg-AD et NonTg âgées de 16 mois. Le traitement a renversé le déficitde mémoire de reconnaissance et a diminué le ratiode peptides Aβ42/Aβ40 insolubles dans l’hippocampedes souris transgéniques, sans moduler la phosphorylation de la protéinetau. Ces résultats montrent que les interventions visant à stimuler la thermogenèse permettent de diminuer les désordres métaboliques et d’altérer la neuropathologie et les déficits comportementaux de la MA dans un modèle murin. Ainsi, nos résultats mettent en lumière la thermorégulation comme une nouvelle cible thérapeutique et ouvrent la voie à de nouvelles stratégies pour cette maladie. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disease characterized by a progressive loss of memory. The number of people affected by the disease is constantly in creasing, but there is currently no curefor AD. Aging, the main risk factor for AD, is also associated with a thermoregulatory deficit. Previous animal studies have shown that hypothermia in creases the phosphorylation of the protein tau, one of the main neuropathological markers of AD. The transgenic triple mouse (3xTg-AD), a mouse model of AD neuropathology, develops thermoregulatory deficits along with the progression of the neuropathology. Acute cold exposure exacerbates tau hyperphosphorylation in the brain of 3xTg-AD mice, while exposing them to a thermoneutral environment (28°C) alleviates their memory deficits and amyloid pathology. Brown adipose tissue (BAT) is the main site of thermogenesisin mammals. The stimulation of its activity, by cold exposures or the administration of β3 adrenergic receptor agonists (β3AR), has been shown to improve peripheral metabolic determinants. Since metabolic diseases are important risk factors for AD, and thermoregulatory deficits mayworsen AD, we hypothesized that BAT stimulation could be beneficial in AD by correcting both thermoregulatory deficits and metabolic disorders. The aim of this thesis was to determine whether the stimulation of BAT thermogenesis reduces neuropathology and behavioral deficits in a mouse model of AD, the 3xTg-AD mouse. First, we showed that advanced age potentiates tau phosphorylation induced by acute cold exposure. Secondly, we observedthat repeated short cold exposures increased the thermogenesis capacity of BAT and reduced glucose intolerance in aged 3xTg-AD mice. Better thermoregulation provided protection against tau phosphorylation induced by an acute cold exposure. In addition, we reported a negative correlation between fibroblast growth factor 21 (FGF21) levels and tau phosphorylation in the hippocampus, suggesting that this BAT-secreted hormone is involved in neuroprotection against acute cold exposure. Finally, we investigated the effect of a β3AR agonist on the neuropathology and memory of old 3xTg-AD mice. This pharmacological approach improved glucose tolerance and increased BAT thermogenes is in 16-month-old 3xTg-AD and NonTg mice. The treatment reversed the recognition memory deficiency and decreased the ratio of insoluble Aβ42/Aβ40 peptides in the hippocampus of transgenic mice, without modulating tauphosphorylation. These results show that interventions aiming at stimulating thermogenes is can reduce metabolic disorders and modulate neuropathology and behavioral deficits of AD in a mousemodel. Thus, our results high light thermoregulation as a novel therapeutic target for this disease.