L’asthme bronchique est caractérisé par un remodelage et une inflammation des voies aériennes. La masse du muscle lisse ainsi que la déposition de matrice extracellulaire sont augmentées dans la paroi des bronches asthmatiques, ce qui contribue à l’obstruction respiratoire. Peu d’études ont évalué les effets des traitements utilisés dans l’asthme sur le remodelage bronchique, et surtout peu de données sont disponibles concernant les effets sur le muscle lisse. La combinaison de corticostéroïdes et de β2-agonistes à longue durée d’action administrée par inhalation permet de mieux contrôler les crises d’asthme par rapport à la monothérapie avec des médicaments corticostéroïdes. Cependant, l’action spécifique de la combinaison sur le remodelage et sur l’inflammation des bronches périphériques n’est pas décrite. Surtout, il reste à clarifier si l’administration de la combinaison est avantageuse par rapport à la monothérapie corticostéroïde. La plupart des études réalisées chez l’homme utilisent des tissus bronchiques obtenus par biopsie endobronchique, qui ne sont pas représentatifs du processus pathologique affectant les voies respiratoires périphériques. Leur inaccessibilité par des méthodes non invasives est la raison pour laquelle si peu de données existent sur la pathophysiologie des voies périphériques chez les patients asthmatiques. L’asthme équin, aussi connu comme « le souffle », est une pathologie obstructive des chevaux adultes considérée comme un modèle animal d’asthme humain. Elle est caractérisée par un remodelage des bronches périphériques et par une inflammation bronchoalvéolaire de type neutrophilique. En étudiant le modèle équin, cette thèse a évalué la contribution des médicaments corticostéroïdes et de β2-agonistes à longue durée d’action, administrée comme monothérapies ou en combinaison, sur la réversibilité du remodelage et de l’inflammation de voies aériennes dans l’asthme bronchique. A cette fin, nous avons d’abord optimisé et validé l’application de la biopsie endobronchique et de l’échographie endobronchique chez le cheval adulte. Nos résultats indiquent que les échantillons obtenus par biopsie endobronchique sont inadéquats pour l’évaluation quantitative de la masse du muscle lisse chez le cheval. Cependant, ils permettent d’étudier les changements quantitatifs des structures épithéliales et de la lamina propria, ainsi que les aspects qualitatifs du muscle lisse. L’échographie endobronchique, quant à elle, permet d'estimer la masse du muscle lisse bronchique, et ce, chez des chevaux sains et chez des chevaux asthmatiques. Cette thèse démontre aussi que qu’un traitement de 12 semaines avec des corticostéroïdes induit une diminution significative de la masse du muscle lisse périphérique, qui n’est pas amélioré davantage par l’administration concomitante d’un β2-agoniste à longue durée d’action. Cette diminution est toutefois incomplète. Un effet positif et synergique de la combinaison a également été observé au niveau de la déposition de matrice extracellulaire. La combinaison a produit une diminution significative de la quantité de matrices déposées dans la lamina propria et dans la couche du muscle lisse dans les bronches centrales, alors que l’effet été limité à la couche du muscle lisse dans les bronches périphériques. La combinaison n’améliore pas le contrôle de l’inflammation bronchique ni bronchiolaire par rapport aux monothérapies ; cependant, elle diminue la neutrophilie bronchoalvéolaire de façon synergique. / Airway remodeling and inflammation are the hallmarks of asthma. Both airway smooth muscle (ASM) mass and extracellular matrix (ECM) deposition are increased in the central and peripheral airways of asthmatic patients, which contribute to airway obstruction. Few studies have investigated the ability of current asthma medications to reverse airway remodeling, especially the increased ASM mass. Inhaled corticosteroids (ICS) and long-acting β2-agonist combinations (ICS/LABA) are more effective than ICS monotherapy to control asthma exacerbations. However, their efficacy at modifying bronchial inflammation and remodeling at the peripheral level of the lung is not well-described. In fact, most work has been performed using endobronchial biopsy samples obtained from asthmatic subjects, which completely disregard the alterations occurring in peripheral airways. Ethical considerations limit the possibility of biopsying the peripheral airways in humans due to the invasiveness of the procedure. Equine asthma, or heaves, is a naturally-occurring disease of adult horses and a recognized animal model of human asthma characterized by neutrophilic inflammation as well as ASM and ECM remodeling of peripheral airways. This thesis has assessed the contribution of ICS and LABA, alone or combined, to the reversal of remodeling and inflammation in central and peripheral airways using the equine asthma model. To attain this goal, we have first optimized and validated the application of endobronchial biopsy and endobronchial ultrasound (EBUS) in the equine species. EBUS reliably estimates the bronchial ASM. Subsequently, asthmatic horses with ongoing airway remodeling and inflammation were treated with ICS, LABA, ICS/LABA, or antigen avoidance. Lung function, airway remodeling and inflammation were then assessed weekly for 3 months. Our results demonstrated a 30% decrease of peripheral ASM remodeling attained with ICS and ICS/LABA pharmacological treatment. A decrease of a similar magnitude of peripheral ASM was previously reported after 6 and 12 months of ICS monotherapy and antigen avoidance, respectively. A synergistic effect of ICS/LABA was observed on ECM deposition and airway lumen neutrophils. ICS/LABA decreased the ECM fraction of the ASM layer both peripherally and centrally, while the same effect on the lamina propria was observed only in central airways. Both ICS/LABA and ICS monotherapy decreased submucosal inflammation in central airways, while only ICS/LABA and antigen avoidance decreased bronchoalveolar neutrophilia. In conclusion, our results suggest that the enhanced therapeutic effect of ICS/LABA over ICS monotherapy in asthmatic horses was associated with a reduction of ECM deposition, mainly observed within the large airways, and possibly also with a decreased airway neutrophilia. However, ICS/LABA did not provide additional benefit to ICS monotherapy in terms of peripheral ASM remodeling as both induce a 30% decrease of the ASM mass in 3 months.

Le but de notre étude visait à déterminer si les matrices ECM (extracellular matrix) préparés à partir d'un modèle vertébré (Axolotl) capables de régénérer ses tissus suite à une blessure sont plus efficaces pour stimuler les réponses régénératives chez les animaux non régénérant (par exemple les mammifères). Nous avons testé la capacité de matrice ECM axolotl à améliorer la guérison des plaies cutanées dans des souris et nous les avons comparés à une matrice disponible commercialement (échafaudage Symbios PerioDerm) pour leur efficacité à favoriser la guérison des plaies. Des lésions d'excision ont été créées sur le dos de souris et les animaux ont été regroupés dans différents groupes; a-) ECM de peau axolotl décellularisée (groupe Axolotl), b-) matrice de derme acellulaire Symbios Perioderm (groupe PerioDerm), c-) grillage en titane (groupe témoin); respectivement. Les tissus des plaies ont été récoltés à des moments précis : 7 jours et 30 jours après la blessure pour évaluer la guérison des plaies. La guérison des blessures ayant reçu les différentes matrices a été comparées entre elles en utilisant le test de transillumination et des analyses histologiques. Les résultats indiquent que la ECM de peau d’axolotl décellularisée est bien tolérée par les souris, car aucun rejet n'a été observé. Le groupe qui a reçu l'ECM de la peau axolotl décellularisé a démontré une réépithélialisation, une densité cellulaire, une teneur en collagène (avec une organisation similaire à un tissu intact) et une vascularisation (angiogenèse) élevées par rapport aux groupes PerioDerm et témoins. La présence de follicules pileux était également observé dans le groupe axolotl (qui n'est pas présent dans PerioDerm et groupes de contrôle). Sur la base de nos résultats, l'hypothèse de base semble être correcte en ce qu'une matrice ECM provenant d'un régénérateur puissant semble favoriser la guérison plus efficacement chez les animaux normalement non régénérants. Cependant, des recherches supplémentaires devront être menées pour confirmer ces résultats. / The aim of our study sought to determine whether ECM scaffolds prepared from a vertebrate model (Axolotl) capable of regenerating tissues following injury are more effective at stimulating regenerative responses in non-regenerating animals (e.g., mammals). We tested the ability of axolotl decellularized ECM scaffolds to improve skin wound healing in mammalian models and compare the axolotl skin ECM scaffold to a commercially available one (Symbios PerioDerm scaffold) for efficiency in promoting wound healing. Excisional lesions were created on the back of mice, and animals in different groups were treated by; a-) decellularized axolotl skin ECM (Axolotl group), b-) Symbios Perioderm acellular dermis scaffold (PerioDerm group), d-) Titanized mesh only (Control group); respectively. Wound tissues were harvested at time points: 7- and 30-days post-wounding to assess the scaffolds impact on wound healing. Wound healing was compared between the Axolotl, PerioDerm and Control groups using transillumination test and histological analyses, Results indicate that the decellularized axolotl skin ECM is well tolerated by mammalian models, as no immune rejection was observed. The axolotl group that received the decellularized Axolotl Skin ECM demonstrated high reepithelialization, cellular density, collagen content (in a porous pattern similar to intact skin), vascularization (angiogenesis) compared to PerioDerm and control groups. The presence of hair follicles was also observed in the axolotl group (which is not present in PerioDerm and control groups). Based on our results, the basic hypothesis appears to be correct in that an ECM scaffold from a strong regenerator seems to promote healing more efficiently in non-regenerating animals. However, further research should be conducted to confirm these findings.

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro. / Estradiol (E2) is an essential female hormone in the regulation and determination of various physiological conditions in vivo, such as cell proliferation and differentiation. When supplementing exogenous E2 as a clinical strategy for hormone therapy, it generates genomic and non-genomic effect simultaneously via binding to the estrogen receptors in the cell nucleus or membrane site. Compared to the genomic effect, it is quite difficult to monitor the E2-induced non-genomic biological behavior because this effect occurs in extremely transient time scale and the bioavailability and accessibility of E2 to target cells is very low due to the hydrophobic nature of E2. As a result, it is indispensable to develop E2 delivery systems to specifically understand estrogenic non-genomic nature. One of strategies is to graft E2 to the hydrophilic macromolecules, e.g. bovine serum albumin (BSA) or poly(amido)amine dendrimer, to maintain E2 interacting with membrane estrogen receptors instead of penetrating into the cell nucleus. However, the instability of those E2-macromolecules systems, either containing free E2 leaching or discrepancies of cellular localizations, led to controversies. Herein, the objective of present thesis is to develop novel E2-functionlized platforms by the principle of bottom-up and top-down approaches for understanding the mechanism of estrogenic non-genomic effect, and further, to explore their potential applications in the biomedicine. As a bottom-up approach, an activated E2 ligand, 17α-ethinylestradiol-benzoic acid was covalently conjugated onto a phosphorylcholine substituted chitosan polymer (CH-PC-E2) as a prodrug strategy for the fabrication of self-assembled films. Through a series of combined physicochemical and cellular investigations, the relationship between various chemical compositions of chitosan-phosphorylcholine (CH-PC) films and cellular responses was also evaluated. Based on atomic force microscopy (AFM) examination, zeta-potential measurements, surface plasmon resonance (SPR), and quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) measurements, surface topography, charge, and rheology of CH-PC films with 15, 25, and 40 mol% PC contents were characterized. Moreover, QCM-D measurements indicated that the amount of fibrinogen adsorbed on CH-PC films decreased significantly with increasing PC content. Finally, it was also showed that human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) form spheroids on CH-PC25 and CH-PC40 films, but not on CH-PC15 films cultured over 4 days. In addition, the CH-PC-E2 polymer conjugates were prepared and characterized by several techniques, such as 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR), Fourier transformed infrared-attenuated total refraction (FTIR-ATR) and UV/Vis spectra measurements. The hydrogel nature of CH-PC-E2 film as well as its interactions to estrogen receptors was further extensively investigated by QCM-D study. In the cellular study, CH-PC-E2 hydrogel films can significantly stimulate the production of nitric oxide, a protective molecule in the cardiovascular system, in the endothelial cells by a diaminofluorescein-FM diacetate imaging study. The studies above demonstrated the different roles and potential applications of CH-PC-E2 and CH-PC surfaces in the cardiovascular regenerative medicine. As a top-down approach, micropatterned substrates were used for E2 functionalization, which were prepared by photolithography via aligning ~ 2 μm in diameter gold arrays onto a glass substrate. After that, a cell adhesive peptide, cyclic RGD was introduced to the glass surface in order to induce the attachment of cells. Meanwhile, estradiol was covalently immobilized on the gold surface and the process was monitored and validated by combining SPR and QCM-D studies. In the micropatterned substrate-coupled cell ELISA study, a phosphorylation level of extracellular signal-regulated kinase (ERK), which is an important non-genomic marker, was significantly elevated by this E2-functionalized micropatterned surface after 1 hour incubation. Furthermore, E2-functionalized micropatterned substrate didn’t proliferate cancer cells indicating the absence of genomic effect stimulation. Based on these results, our E2-functionalized micropatterned substrates can function as an in vitro model for the elucidation of estrogenic non-genomic behaviors.

Dans cette thèse nous avons utilisé des méthodes de systèmes dynamiques et des simulations numériques pour étudier les mécanismes d'oscillations d'épilepsie associés à des concentrations d’ions dynamiques et au comportement bimodal des cellules Purkinje du cervelet. Le propos général de ce travail est l'interaction entre les propriétés intrinsèques des neurones simple et la structure d'entrée synaptique contrôlant l'excitabilité neuronale. Dans la première partie de la thèse nous avons développé un modèle de transition de crise épileptique dans le lobe temporal du cerveau. Plus précisément nous nous sommes concentrés sur le rôle du cotransporteur KCC2, qui est responsable de la maintenance du potassium extracellulaire et du chlorure intracellulaire dans les neurones. Des données expérimentales récentes ont montré que cette molécule est absente dans un groupe significatif de cellules pyramidales dans le tissue neuronal de patients épileptiques suggérant son rôle épileptogène. Nous avons trouvé que l'addition d’une quantité critique de cellules pyramidale KCC2 déficient au réseau de subiculum, avec une connectivité réaliste, peut provoquer la génération d’oscillations pathologiques, similaire aux oscillations enregistrées dans des tranches de cerveau épileptogène humaines. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons étudié le rôle du bruit synaptique dans les cellules de Purkinje. Nous avons étudié l'effet de l'inhibition de la génération du potentiel d’action provoquée par injection de courant de bruit, un phénomène connu comme résonance stochastique inverse (RSI). Cet effet a déjà été trouvé dans des modèles neuronaux, et nous avons fournis sa première validation expérimentale. Nous avons trouvé que les cellules de Purkinje dans des tranches de cerveau peuvent être efficacement inhibées par des injectionsde bruit de courant. Cet effet est bien reproduit par le modèle phénoménologique adapté pour différentes cellules. En utilisant des méthodes de la théorie de l'information, nous avons montré que RSI prend en charge une transmission efficace de l'information des cellules de Purkinje simples suggérant son rôle pour les calculs du cervelet. / In this thesis we used dynamical systems methods and numericalsimulations to study the mechanisms of epileptic oscillations associated with ionconcentration changes and cerebellar Purkinje cell bimodal behavior. The general issue in this work is the interplay between single neuron intrinsicproperties and synaptic input structure controlling the neuronal excitability. In the first part of this thesis we focused on the role of the cellular intrinsicproperties, their control over the cellular excitability and their response to thesynaptic inputs. Specifically we asked the question how the cellular changes ininhibitory synaptic function might lead to the pathological neural activity. We developed a model of seizure initiation in temporal lobe epilepsy. Specifically we focused on the role of KCC2 cotransporter that is responsible for maintaining the baseline extracellular potassium and intracellular chloride levels in neurons. Recent experimental data has shown that this cotransporter is absent in the significant group of pyramidal cells in epileptic patients suggesting its epileptogenic role. We found that addition of the critical amount of KCC2-deficient pyramidal cells to the realistic subiculum network can switch the neural activity from normal to epileptic oscillations qualitatively reproducing the activity recorded in human epileptogenic brain slices. In the second part of this thesis we studied how synaptic noise might control the Purkinje cell excitability. We investigated the effect of spike inhibition caused by noise current injection, so-called inverse stochastic resonance (ISR). This effect has been previously found in single neuron models while we provided its first experimental evidence. We found that Purkinje cells in brain slices could be efficiently inhibited by current noise injections. This effect is well reproduced by the phenomenological model fitted for different cells. Using methods of information theory we showed that ISR supports an efficient information transmission of single Purkinje cells suggesting its role for cerebellar computations.

La thèse est consacrée au développement de nouvelles méthodes de modélisations mathématiques en biologie et en médecine, du type “off-lattice" modèles hybrides discret-continus, et de leurs applications à l’hématopoïèse et aux maladies sanguines telles la leucémie et l’anémie. Dans cette approche, les cellules biologiques sont considérées comme des objets discrets alors que les réseaux intracellulaire et extracellulaire sont décrits avec des modèles continus régis par des équations aux dérivées partielles et des équations différentielles ordinaires. Les cellules interagissent mécaniquement et biochimiquement entre elles et avec le milieu environnant. Elles peuvent se diviser, mourir par apoptose ou se différencier. Le comportement des cellules est déterminé par le réseau de régulation intracellulaire et influencé par le contrôle local des cellules voisines ou par la régulation globale d’autres organes. Dans la première partie de la thèse, les modèles hybrides du type “off-lattice" dynamiques sont introduits. Des exemples de modèles, spécifiques aux processus biologiques, qui décrivent au sein de chaque cellule la concurrence entre la prolifération et l’apoptose, la prolifération et la différenciation et entre le cycle cellulaire et de l’état de repos sont étudiés. L’émergence des structures biologiques est étudiée avec les modèles hybrides. L’application à la modélisation des filamente de bactéries est illustrée. Dans le chapitre suivant, les modèle hybrides sont appliqués afin de modéliser l’érythropoïèse ou production de globules rouges dans la moelle osseuse. Le modèle inclut des cellules sanguines immatures appelées progéniteurs érythroïdes, qui peuvent s’auto-renouveler, se différencier ou mourir par apoptose, des cellules plus matures appelées les réticulocytes, qui influent les progéniteurs érythroïdes par le facteur de croissance Fas-ligand, et des macrophages, qui sont présents dans les îlots érythroblastiques in vivo. Les régulations intracellulaire et extracellulaire par les protéines et les facteurs de croissance sont précisées et les rétrocontrôles par les hormones érythropoïétine et glucocorticoïdes sont pris en compte. Le rôle des macrophages pour stabiliser les îlots érythroblastiques est montré. La comparaison des résultats de modélisation avec les expériences sur l’anémie chez les souris est effectuée. Le quatrième chapitre est consacré à la modélisation et au traitement de la leucémie. L’érythroleucémie, un sous-type de leucémie myéloblastique aigüe (LAM), se développe à cause de la différenciation insuffisante des progéniteurs érythroïdes et de leur auto-renouvellement excessif. Un modèle de type “Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamic” du traitement de la leucémie par AraC et un modèle de traitement chronothérapeutique de la leucémie sont examinés. La comparaison avec les données cliniques sur le nombre de blast dans le sang est effectuée. Le dernier chapitre traite du passage d’un modèle hybride à un modèle continu dans le cas 1D. Un théorème de convergence est prouvé. Les simulations numériques confirment un bon accord entre ces deux approches. / This dissertation is devoted to the development of new methods of mathematical modeling in biology and medicine, off-lattice discrete-continuous hybrid models, and their applications to modelling of hematopoiesis and blood disorders, such as leukemia and anemia. In this approach, biological cells are considered as discrete objects while intracellular and extracellular networks are described with continuous models, ordinary or partial differential equations. Cells interact mechanically and biochemically between each other and with the surrounding medium. They can divide, die by apoptosis or differentiate. Their fate is determined by intracellular regulation and influenced by local control from the surrounding cells or by global regulation from other organs. In the first part of the thesis, hybrid models with off-lattice cell dynamics are introduced. Model examples specific for biological processes and describing competition between cell proliferation and apoptosis, proliferation and differentiation and between cell cycling and quiescent state are investigated. Biological pattern formation with hybrid models is discussed. Application to bacteria filament is illustrated. In the next chapter, hybrid model are applied in order to model erythropoiesis, red blood cell production in the bone marrow. The model includes immature blood cells, erythroid progenitors, which can self-renew, differentiate or die by apoptosis, more mature cells, reticulocytes, which influence erythroid progenitors by means of growth factor Fas-ligand, and macrophages, which are present in erythroblastic islands in vivo. Intracellular and extracellular regulation by proteins and growth factors are specified and the feedback by the hormones erythropoietin and glucocorticoids is taken into account. The role of macrophages to stabilize erythroblastic islands is shown. Comparison of modelling with experiments on anemia in mice is carried out. The following chapter is devoted to leukemia modelling and treatment. Erythroleukemia, a subtype of Acute Myeloblastic Leukemia (AML), develops due to insufficient differentiation of erythroid progenitors and their excessive slef-renewal. A Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics (PBPKPD) model of leukemia treatment with AraC drug and chronotherapeutic treatments of leukemia are examined. Comparison with clinical data on blast count in blood is carried out. The last chapter deals with the passage from a hybrid model to a continuous model in the 1D case. A convergence theorem is proved. Numerical simulations confirm a good agreement between these approaches.

Le développement de capillaires sanguins à partir d'un réseau pré-existant, l'angiogenèse, joue un rôle fondamental dans de nombreux contextes physiopathologiques, tels la cicatrisation des tissus ou le développement d'une tumeur solide. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la régulation de ce phénomène par les facteurs mécaniques (rigidité, viscosité, traction cellulaire). Dans un dialogue permanent entre l'expérimentation et la modélisation, nous avons développé un modèle théorique biomécanique minimal des premières étapes de l'angiogenèse in vitro, où l'angiogenèse est supposée issue d'une instabilité mécanique entre les forces actives de traction cellulaire et la résistance passive viscoélastique de la matrice extracellulaire. Notre modèle consiste en un système d'équations aux dérivées partielles non-linéaires couplées, résolu par la méthode des éléments finis. Nous avons mené des analyses de stabilité linéaire et non-linéaire de l'état d'équilibre homogène pour déterminer les points de bifurcation du système correspondant à une instabilité de Turing. Nous avons ensuite effectué une étude approfondie de l'influence des différents paramètres sur la formation du réseau. Les résultats des simulations numériques sont comparés avec succès aux résultats expérimentaux, obtenus par notre équipe ou extraits de la littérature. Dans une seconde partie de nos travaux, nous avons étudié des voies de régulation possibles, par les effets mécaniques, de la dégradation de la matrice extracellulaire. Nous avons alors montré que la régulation mécanique de la dégradation pouvait être un processus clé de l'angiogenèse in vitro.

Despite the possible common histopathological features at diagnosis, cancer cells present within breast carcinomas are highly heterogeneous in their molecular signatures. This heterogeneity is responsible for disparate clinical behaviors, treatment responses and long-term outcomes in breast cancer patients. Although the few histopathological markers can partially describe the diversity of cells found in tumor tissue sections, the full molecular characterization of individual cancer cells is currently impossible in routine clinical practice. In this respect, Fourier transform infrared (FTIR) microspectroscopic imaging of histological sections allows obtaining, for each pixel of tissue images, hundreds of independent potential markers, which makes this technique a particularly powerful tool to distinguish cell types and subtypes. As a complement to the conventional clinicopathological evaluation, this spectroscopic approach has the potential to directly reveal molecular descriptors that should allow identifying different clonal lineages found within a single tumor and therefore provide knowledge relevant to diagnosis, prognosis and treatment personalization. Yet, interpretation of infrared (IR) spectra acquired on tissue sections requires a well-established calibration, which is currently missing. Conventionally, mammary epithelial cells are studied in vitro as adherent two-dimensional (2D) monolayers, which lead to the alteration of cell-microenvironmental interplay and consequently to the loss of tissue structure and function. A number of key in vivo-like interactions may be re-established with the use of three-dimensional (3D) laminin-rich extracellular matrix (lrECM)-based culture systems. The aim of this thesis is to investigate by FTIR imaging the influence of the in vitro growth environment (2D culture versus 3D lrECM culture and 3D monoculture versus 3D co-culture with fibroblasts) on a series of thirteen well-characterized human breast cancer cell lines and to determine culture conditions generating spectral phenotypes that are closer to the ones observed in malignant breast tissues. The reference cell lines cultured in a physiologically relevant basement membrane model and having undergone formalin fixation, paraffin embedding (FFPE), a routine treatment used to preserve clinical tissue specimens, could contribute to the construction of a spectral database. The latter could be ultimately employed as a valuable tool to interpret IR spectra of cells present in tumor tissue sections, particularly through the recognition of unique spectral markers.To achieve the goal, we developed and optimized, in a first step, the preparation of samples derived from traditional 2D and 3D lrECM cell cultures in order to preserve their morphological and molecular relevance for FTIR microspectroscopic analysis. We then highlighted the importance of the influence of the growth environment on the cellular phenotype by comparing spectra of 2D- and 3D-cultured breast cancer cell lines between them. A particular focus was placed to establish a correlation between FTIR spectral data and publicly available microarray-based gene expression patterns of the whole series of breast cancer cell lines grown in 2D and 3D lrECM cultures. Our results revealed that, although based on completely different principles, gene expression profiling and FTIR spectroscopy are similarly sensitive to both the cell line identity and the phenotypes induced by cell culture conditions. We also identified by FTIR imaging changes in the chemical content occurring in the microenvironment surrounding cell spheroids grown in 3D lrECM culture model. Finally, we illustrated the impact of the in vivo-like microenvironment on the IR spectra of breast cancer cell lines grown in 3D lrECM co-culture with fibroblasts and compared them with spectra of cell lines grown in 3D lrECM monoculture. Unsupervised statistical data analyses reported that cells grown in 3D co-cultures produce spectral phenotypes similar to the ones observed in FFPE tumor tissue sections from breast carcinoma patients. Altogether, our results suggest that FFPE samples prepared from 3D lrECM cultures of breast cancer cell lines and studied by FTIR microspectroscopic imaging provide reliable information that could be integrated in the setting up of a recognition model aiming to identify and interpret specific spectral signatures of cells present in breast tumor tissue sections. / Le cancer du sein est une maladie très hétérogène, tant au niveau clinique que biologique. Cette hétérogénéité rend impossible la caractérisation moléculaire complète des cellules cancéreuses individuelles dans la pratique clinique courante. Dans ce contexte, l’imagerie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) des coupes tissulaires permet d'obtenir pour chaque pixel d'une image de tissu des centaines de marqueurs potentiels indépendants, ce qui pourrait faire de cette technique un outil particulièrement puissant pour identifier des différents types et sous-types cellulaires. L'interprétation des spectres infrarouges (IR) enregistrés à partir des coupes histologiques nécessite cependant une calibration qui fait actuellement défaut. Cette calibration pourrait être obtenue à partir de lignées cellulaires tumorales bien caractérisées. Traditionnellement, les cellules épithéliales mammaires sont étudiées in vitro sous forme de monocouches adhérentes bidimensionnelles (2D), ce qui conduit à l'altération de la communication entre les cellules et leur environnement et, par conséquent, à la perte de l’architecture et de la fonction du tissu épithélial. Un certain nombre d'interactions physiologiques clés peuvent être rétablies en utilisant des systèmes de culture tridimensionnelle (3D) dans une matrice extracellulaire riche en laminine (lrECM). L'objectif de cette thèse consiste à étudier par imagerie FTIR l'influence du microenvironnement (via une comparaison entre les cultures 2D et 3D lrECM ou les cultures 3D lrECM en présence ou en l’absence de fibroblastes) sur une série de treize lignées de cellules tumorales mammaires humaines bien caractérisées et à déterminer les conditions de culture générant des phénotypes spectraux qui se rapprochent le plus de ceux observés dans les tissus tumoraux. Au cours de ce travail, nous avons mis au point la culture des lignées cellulaires dans un modèle 3D lrECM ainsi qu’une méthodologie de préparation des échantillons offrant la possibilité de les comparer de manière pertinente avec les cellules cancéreuses présentes dans les coupes histologiques. De même, nous avons étudié par imagerie FTIR les effets du microenvironnement sur les lignées de cellules tumorales et inversement. Pour les lignées investiguées, le passage d’une culture 2D à une culture 3D lrECM s’accompagne, en effet, de modifications du spectre IR étroitement corrélées aux modifications du transcriptome. Les marqueurs spectraux indiquent également que l’environnement 3D génère un phénotype cellulaire proche de celui trouvé dans les coupes histologiques. De manière intéressante, cette proximité est d’autant plus renforcée en présence de fibroblastes dans le milieu de culture. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les affections articulaires touchant le cartilage, telles que les lésions focales et l’arthrose, correspondent aux principales causes de baisse de performance et d’arrêt prématuré de la carrière sportive du cheval. Ainsi, le traitement des affections du cartilage représente un enjeu vétérinaire majeur dans le monde équin, du fait des importantes pertes financières qu’elles occasionnent à la filière. Les faibles capacités de réparation intrinsèque du cartilage, ainsi que l’absence de thérapie à long terme des dommages cartilagineux, nécessitent le recours à des thérapies de nouvelles générations telle que l’ingénierie tissulaire du cartilage. Dans ce cadre, notre étude s’est attachée à comparer différents types cellulaires pour la génération de cartilage in vitro, afin d’envisager une implantation pour traiter les atteintes cartilagineuses chez le cheval. Une technique initialement développée chez l’Homme, la transplantation de chondrocytes autologues, représente toujours un « gold standard » en ingénierie tissulaire du cartilage. Dans ce travail de thèse, après avoir développé une nouvelle génération de substitut cartilagineux de haute qualité biologique, à partir de chondrocytes articulaires équins, des limites techniques et biologiques inhérentes au type cellulaire persistent. Ainsi, nos travaux se sont tournés vers la recherche de types cellulaires alternatifs. Les cellules souches/stromales mésenchymateuses (CSM) néonatales issues de cordon ombilical telles que les CSM de sang placentaire (CSM-SPL) et les CSM de gelée de Wharton (CSM-GW) pourraient représenter un avantage thérapeutique du fait de leur isolement non-invasif, de leur forte prolifération cellulaire et de leur capacité de différenciation en chondrocyte. Il est néanmoins indispensable de définir le meilleur candidat thérapeutique, parmi ces deux sources cellulaires, pour l’obtention d’un substitut cartilagineux de qualité biologique optimale. Ces résultats de thèse ont montré d’importantes différences dans le processus de chondrogenèse de ces deux sources de CSM néonatales et plaident en faveur de l’utilisation des CSM-SPL dans le cadre d’une stratégie thérapeutique d’ingénierie tissulaire du cartilage équin. Ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la biologie du chondrocyte et des CSM. De surcroît, ces travaux permettent d’envisager de futurs essais cliniques chez le cheval, afin de traiter les affections articulaires de ce modèle gros animal. / Articular cartilage disorders, such as focal defects and osteoarthritis, are the main causes of decreased performance or early retirement of sport- and racehorses. Thus, cartilage disorders represent a major veterinary issue in the equine industry, due to significant financial losses. Poor intrinsic cartilage repair properties and the absence of long- term therapy for cartilage defects lead to the development and use of new generation therapies such as autologous chondrocytes implantation. In this context, our study aimed to compare different cell types for the in vitro cartilage generation, in order to implant the biological substitute to treat cartilage defects in the horse. A therapeutic strategy initially developed in human medicine, the autologous chondrocytes transplantation, always represents a "gold standard" in cartilage tissue engineering. In the present study, after developing a new generation of cartilaginous substitute of high biological quality, composed of equine articular chondrocytes, technical and biological limits inherent to the cell type persist. Thus, we have used alternative cell types such as neonatal mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) from umbilical cord, such as umbilical cord blood MSC (UCB-MSCs) and umbilical cord matrix or Wharton jelly MSCs (UCM- MSCs). These MSCs sources could represent a therapeutic advantage due to their non-invasive isolation, their high cell proliferation and their ability to differentiate into chondrocytes. Nevertheless, it is essential to define the best therapeutic candidate between these two MSCs sources, to obtain an optimal quality for the neocartilaginous substitute. Our data highlighted important differences in the chondrogenesis process of these two neonatal MSCs sources, allowing us to consider UCB-MSCs as the best therapeutic candidate for equine cartilage tissue engineering. This work allows a better understanding of the chondrocyte and MSCs biology. Moreover, this work leads the way to setting-up future clinical trials in the horse, in order to treat articular defects of this large animal model.

La coiffe racinaire est cruciale à la croissance et survie du méristème subapical de racine. Elle libère des cellules frontières (CFs) qui assurent la protection de l’apex racinaire. Les CFs associées à leur mucilage forment le piège extracellaire de racine (RET). La caractérisation du RET et des exsudats racinaires de trois essences ligneuses sahéliennes à partir de plantules cultivées in vitro a été réalisée. B. aegyptiaca et A. raddiana prospèrent dans les zones semi-arides, à l’opposé de T. indica. La morphologie des CFs et l’organisation du RET ont été déterminées par microscopie. La compostion en glycopolymères et la détection des arabinogalactanes proteines (AGPs) dans le RET et les exsudats racinaires ont été déterminées par des analyses biochimiques. L’effet des exsudats racinaires sur la croissance d’Azospirillum brasilense, une bactérie bénéfique pour la plante a été évalué. B. aegyptiaca produit des CFs de type border cells (BCs) alors que les autres Fabaceae produisent des BCs et des border-like cells. Les BCs sont entourées d’un dense mucilage riche en polymères de paroi. Le RET et les exsudats racinaires issus de B. aegyptiaca et A. raddiana sont plus riches en AGPs que ceux provenant T. indica. Les AGPs pourraient contribuer à la survie des plantules dans un contexte semiaride. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives de recherche concernant l'implication du RET dans la survie des plantes à l'aridité. / The root cap is primordial for seedling growth and supports root apical meristem integrity. The root cap releases root border cells (RBCs) that surround the root tip and ensure seedling protection against numerous stresses. RBCs and their associated mucilage form the root extracellular trap (RET). Here, RET and root exudate characterization of three Sahelian woody seedlings are performed. In contrast to B. aegyptiaca and A. raddiana which thrive in semi-arid areas, T. indica is more sensitive to drought. B. aegyptiaca, A. raddiana and T. indica seedlings were sub-cultured in vitro. RBC morphologies and RET organization were determined using microscopic approaches. The polysaccharide composition and arabinogalactan protein (AGP) content were determined by biochemical approaches in the RET and the root exudates. Moreover, the effect of root exudates on the growth of Azospirillum brasilense a plant benefical bacteria has been performed. While B. aegyptiaca produces only border cell (BC) type, the two Fabaceae seedlings release both BCs and border-like cells (BLCs). BCs are enclosed in a dense mucilage enriched in cell wall polymers. Compared to T. indica, RET and root exudates of B. aegyptiaca and A. raddiana include more abundant AGPs. In this context, AGPs could contribute to woody seedling survival. This work opens new research perspectives regarding involvement of RET in plant survival to aridity.

Les proteins matricellulaires (MPs) sont des macromolécules non structurales de la matrice extracellulaire (ECM) qui sont induites de façon transitoire lors du développement, de la réparation et du remodelage tissulaire et lors de l’inflammation. L’expression des MPs peut être déclenchée par des dommages tissulaires aigus, et leur expression à long terme peut contribuer à certaines maladies chroniques. Les MPs agissent principalement pour médier les événements du remodelage tissulaire en facilitant les interactions et les signaux à partir de l’ECM vers l’environnement cellulaire avoisinant. En utilisant des données de RNA-seq provenant de deux modèles distincts de dommages rénaux, soit l’Acide Folique (FA) ou l’Obstruction Urétérale Unilatérale (UUO), nous avons analysé les profils d’expressions de plusieurs familles bien connues de MPs lors des blessures aigues et chroniques. Nous révélons de nouvelles MPs impliquées dans les dommages rénaux et présentons de nouveaux réseaux entre les membres de chaque famille de MPs, en utilisant des outils bioinformatiques. L’expression de l’ARNm de certaines MPs a été confirmée par immuno-buvardage de type Western (WB). Afin d’approfondir notre connaissance des mécanismes de réparation tissulaire et de remodelage de la matrice, nous avons choisi SMOC-2 comme MP modèle dans l’étude des carcinomes cellulaires rénaux (RCC), cancers qui présentent de fortes tendances métastatiques. Nous avons démontré que la surexpression de SMOC-2 ainsi que le traitement avec la protéine recombinante de lignées cellulaires RCC (786-O, et ACHN) induisent un profil métastatique de transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) par WB et des tests fonctionnels. Nous avons également démontré que l’inhibition de SMOC-2 par siRNA donne les résultats opposés. L’ensemble de nos travaux utilise la compréhension des patrons d’expressions temporels des MPs pour améliorer notre compréhension des mécanismes et conditions qui supportent une activation persistante dans des états pathologiques chroniques. Globalement, notre étude sur SMOC-2 offre une perspective ainsi qu’un modèle intéressant pour l’étude et la caractérisation de nouvelles MPs dans des maladies impliquant le remodelage et la réparation de la matrice. / Matricellular proteins (MPs) are non-structural ECM macromolecules induced transiently during development, tissue repair and remodeling, and inflammation. Expression of MPs can be triggered by acute tissue injury and their sustained expression can contribute to chronic disease. MPs primarily act to mediate tissue remodeling events by facilitating interactions and signals from the ECM to the surrounding cellular niche. Using published RNA-seq data from two distinct models of kidney injury, Folic Acid (FA) and Unilateral Ureteral Obstruction (UUO), we analyzed the expression profile of various members of well-known MP families during the acute and fibrotic injury phases. We reveal novel MPs implicated in renal injury and present informative networks between members of each MP family using bioinformatic tools. mRNA expression of select candidate MPs were confirmed by Western blot. To extend our understanding of translatable mechanisms in repair and matrix remodeling, we chose SMOC-2 as our MP model to study in Renal Cell Carcinoma (RCC) which has strong metastatic tendencies. SMOC-2 overexpression and recombinant protein treatment of RCC cell lines (786-O, ACHN) were shown to induce a metastatic EMT profile by Western blot analysis, supported by functional assays (proliferation, migration). Silencing SMOC-2 by siRNA showed the contrary results. Taken together, our work utilizes the understanding of temporal expression patterns of MPs to gain insight into mechanisms and conditions that support persistent activation in chronic injury states. Overall, our work with SMOC-2 provides a valuable perspective and template to approach studying and characterizing novel MPs in diseases involving pathological matrix remodeling and repair.