Introduction : La Fibrose Kystique (FK) est la maladie autosomique récessive la plus fréquente chez les Caucasiens et est due à une mutation du gène Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator (CFTR), codant pour un canal chlore. La principale mutation est la délétion de l'acide aminé phénylalanine en position 508. En raison de l’augmentation de l'espérance de vie, de nouvelles complications telles que le diabète associé à la FK (DAFK) ont vu le jour. Le DAFK semble principalement dû à un défaut de sécrétion d'insuline. Des études ont montré que les femmes et les personnes homozygotes ΔF508 ont un risque plus élevé de développer le DAFK. Objectifs : Comparer la sécrétion d'insuline entre les hommes et les femmes FK selon leur génotype CFTR. Notre hypothèse était que les femmes FK présentaient une sécrétion d'insuline moins élevée que des hommes. Méthodes : Deux cents sujets adultes sans diabète connu ont été recrutés dans la clinique de FK du CHUM et inclus dans cette étude. Cent seize ont été revus après un suivi de 24 ± 10 mois. Leur génotype CFTR a été extrait à partir des dossiers médicaux. Tous les sujets ont subi une hyperglycémie provoquée par voie orale de 2-h (HGPO) afin de déterminer leur tolérance au glucose : normale (NGT), intolérance (IGT) ou DAFK. Des échantillons de sang ont été prélevés aux temps 0, 30, 60, 90, et 120 min de l’HGPO. À partir de ces derniers, la sécrétion d'insuline et la sensibilité à l’insuline des sujets ont été évaluées en utilisant les indices de Stumvoll et les aires sous la courbe de l’insuline durant l’HGPO. Résultats : Pour une excursion glycémique comparable, il y avait des différences significatives dans les concentrations d'insuline entre les hommes et les femmes et selon le génotype CFTR. Ainsi, les femmes et les sujets hétérozygotes avaient des concentrations d’insuline plus élevées que les hommes et les sujets homozygotes. Cela restait significatif quelle que soit leur tolérance au glucose. Le calcul du disposition index représentant la sécrétion d'insuline ajustée pour le degré de sensibilité à l’insuline a suggéré une sécrétion d'insuline plus élevée chez les femmes que les hommes. Le suivi prospectif nous a permis de déterminer que cette sécrétion plus élevée d’insuline était associée à une évolution plus favorable pour la tolérance au glucose. Fait intéressant, cette constatation n'était vraie que pour les femmes. Conclusion : Dans une vaste cohorte prospective observationnelle de patients FK sans diabète connu, nous avons démontré qu’en dépit d’un âge et d’une fonction pulmonaire semblables, les femmes présentaient une sécrétion d'insuline supérieure à celle des hommes et que cela pourrait avoir un effet protecteur, à court terme, chez celles-ci pour le développement du DAFK. / Introduction: Cystic Fibrosis (CF) is the most common autosomal recessive disease among Caucasians and is caused by a mutation in the gene encoding for a chloride channel, the Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator (CFTR) gene. The main change is the deletion of the phenylalanine amino acid at position 508. Due to increasing life expectancy, new complications such as CF related diabetes (CFRD) have emerged. CFRD seems mainly due to a defect in insulin secretion. Studies have shown that women and people with homozygous ΔF508 have a higher risk of developing CFRD. Objectives: To compare insulin secretion between men and women according to their CFTR genotype. Our hypothesis was that, in CF, women had a lower insulin secretion than men. Methods: Two hundred adult subjects without known diabetes were recruited from the CF clinic at the CHUM and included in this study. One hundred and sixteen were reviewed after a follow-up of 24 ± 10 months. Their CFTR genotype was extracted from medical records. All subjects underwent a 2-h oral glucose tolerance test (OGTT) to determine their glucose tolerance: normal (NGT), intolerance (IGT) or CFRD. Blood samples were collected at 0, 30, 60, 90, and 120 min of the OGTT. Insulin secretion and insulin sensitivity were evaluated using the Stumvoll indices and the area under the curve (AUC) of insulin during the OGTT. Results: For a similar glycemic excursion, there were significant gender differences in insulin concentrations and according to the CFTR genotype. Thus, women and heterozygous subjects had insulin concentrations higher than men and homozygous. This remained significant regardless of their glucose tolerance. The calculation of the disposition index, representing insulin secretion adjusted for the degree of insulin sensitivity, suggested a higher insulin secretion in women than in men. Prospective follow-up showed that higher insulin secretion was associated with more favorable evolution of glucose tolerance. Interestingly, this finding was only applicable for women. Conclusion: In a large prospective observational cohort of CF patients without known diabetes, we demonstrated that, despite similar age and pulmonary function, women had a higher insulin secretion than men and that this could have a protective effect for the development of CFRD.

La fibrose kystique (FK) est une maladie qui affecte principalement les systèmes respiratoires, digestifs et reproducteurs et rend les personnes atteintes plus susceptibles aux surinfections bronchiques et aux exacerbations pulmonaires. Le dosage initial et les ajustements de dose des antibiotiques sont difficiles en raison des altérations pharmacocinétique (PK), la grande variabilité PK et l'émergence de résistance aux antibiotiques dans cette population. En guise d’introduction, le premier chapitre de ce mémoire présente la pathologie de la fibrose kystique, des principes de base en pharmacologie et en modélisation compartimentale. Le deuxième chapitre présente une revue systématique de la littérature sur les modèles PK de population des antibiotiques développés dans la population FK adulte. Cette étude a mis en évidence les facteurs démographiques et cliniques ayant le plus d'impact sur la PK des antibiotiques en FK. Par exemple, le poids corporel maigre était la covariable la plus fréquemment utilisée pour estimer les paramètres PK des β-lactamines. Le troisième chapitre montre comment les modèles PK de population peuvent être utilisés pour proposer des stratégies de dosage alternatives aux cliniciens. Les résultats ont montré que la normalisation des doses de tobramycine par la taille (à une dose de 3,4 mg/cm) permet d'obtenir des concentrations maximales et minimales de tobramycine adéquates pour un patient médian. Le quatrième chapitre présente une évaluation méthodologique de l’impact du temps de prélèvement à 8h post-dose sur la performance prédictive de modèles PK de population pour la tobramycine. Il a été démontré que les paramètres PK du deuxième compartiment sont biaisés lorsqu’estimés en utilisant des concentrations simulées issues de temps de prélèvement divergents du modèle analysé. Le cinquième chapitre illustre le développement et l’évaluation d'un nomogramme de doses initiales pour la tobramycine basé sur la taille. Les doses dérivées du nomogramme entraînent une réduction significative de la variabilité des concentrations maximales prédites par rapport à ce qui est observé en clinique, ce qui pourrait potentiellement améliorer les issues cliniques en FK. Ce mémoire a donc démontré l'importance et la pertinence de la modélisation et des simulations dans un contexte clinique afin d’améliorer la prise en charge des patients atteints de FK. / Cystic fibrosis (CF) is a progressive, hereditary disease that primarily affects the respiratory, digestive, and reproductive systems and makes patients more likely to develop bronchial bacterial infections, and subsequently experience acute pulmonary exacerbations. Effective antibiotic use is in part responsible for the decreased respiratory burden observed over the past decades. However, initial dosing and dose adjustments of antibiotics, particularly of tobramycin, is challenging due to altered pharmacokinetics (PK), high PK variability, and emergence of antibiotic resistance. The first chapter of this dissertation presents the pathology of cystic fibrosis, basic principles in pharmacology and compartmental modeling. The second chapter presents a systematic literature review of population PK models of antibiotics developed for adult patients with CF. This study highlighted the demographic and clinical factors most impacting the PK of prescribed antibiotics in this population. For example, lean body weight was the most frequently used covariate for estimating PK parameters of β-lactams. The third chapter of this memoire shows how previously developed population PK models can be leveraged to propose alternative dosing strategies to clinicians. It was found that dose normalization of tobramycin using height rather than body weight at a 3.4 mg/cm dose resulted in tobramycin maximum and residual concentrations within the target range found in published guidelines for a median patient. The fourth chapter presents a methodological evaluation of the impact of 8h post-dose sampling times on the predictive performance of tobramycin population PK models. It was shown that the PK parameters of the second compartment are biased when estimated using simulated concentrations from divergent sampling times of the analyzed model. The fifth chapter shows the development and evaluation of an initial tobramycin dosing nomogram based on height rather than body weight to further individualize antibiotic therapy for CF patients. It was found that doses derived from the proposed nomogram resulted in significantly reduced variability in predicted peak concentrations values in comparison to what is observed in clinical practice, which could potentially improve clinical outcomes for CF patients. This memoire has therefore demonstrated the importance of modeling and simulations in a clinical setting to improve the management of CF in adult patients.

La maladie osseuse liée à la fibrose kystique (MOLFK) est une comorbidité qui se caractérise par une faible densité osseuse découlant d’une diminution de la formation osseuse et d’une augmentation de la résorption osseuse. Les ostéoblastes (Ob), les cellules responsables de la formation osseuse, sont principalement affectées par la MOLFK. Le Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), dont le gène est muté chez les patients FK, est exprimé par les Ob. Des études réalisées sur des modèles murins FK ont démontré que l’expression du gène Cftr est importante pour la différenciation des cellules souches mésenchymateuses (CSM) en Ob matures et pour la fonction des Ob. Nous avons également montré que l’absence du CFTR affecte les cellules mâles et femelles de façon distincte. Or, les mécanismes par lesquels l’absence du CFTR entraine ces perturbations restent méconnus. Afin d’expliquer ces perturbations, nous avons ciblé l’hormone parathyroïdienne (PTH) dont la liaison à son récepteur PTHR1 active des voies de signalisation impliquées dans la régulation de la différenciation des Ob. Nous proposons que l'absence du CFTR mènera à une altération sexe spécifique de la réponse à la PTH des CSM et des Ob. En utilisant des cellules issues de souris mâles et femelles Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH, nous avons investigué: 1) les niveaux d’expression génique et protéique de PTHR1; 2) l’activation de l’une des voies de signalisation PTH/PTHR1 (ERK1/2); 3) les niveaux d’expression des gènes cibles ostéoblastiques (receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), ostéoprotégérine (OPG), Runx2, phosphatase alcaline (ALP), ostéocalcine) et ostéocytaires (Matrix Extracellular Phosphoglycoprotein (MEPE) et sclérostine) et; 4) la fonction ostéoblastique (activité de l’ALP). Nos résultats montrent que les niveaux d’expression génique de PTHR1 sont similaires entre les cellules Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH mais que l’expression protéique basale de PTHR1 est abaissée chez les cellules Cftr-/- femelles. La PTH induit la phosphorylation de ERK1/2 dans les cellules Cftr+/+ (mâles et femelles) et Cftr-/- mâles alors que cet effet est absent chez les cellules Cftr-/- femelles. La PTH augmente le ratio RANKL/OPG et diminue l’expression des gènes ostéoblastiques et ostéocytaires des cellules Cftr+/+ alors que les cellules Cftr-/- femelles démontrent une absence complète de réponse à la PTH. L’activité de l’ALP ne diffère pas entre les cellules Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH. Ces résultats suggèrent que l’absence du CFTR est associée à des altérations de la réponse à la PTH des CSM et Ob murins plus marquées chez les femelles. Une meilleure compréhension de la physiopathologie de la MOLFK et de l’influence du sexe biologique, pourrait mener à une personnalisation des thérapies de la MOLFK. / Cystic fibrosis bone-related disease (CFBD) is a comorbidity characterized by the presence of low bone mass resulting from a decrease in bone formation and an increase in bone resorption. Osteoblasts (Ob), the cells responsible for bone formation, are primarily affected by CFBD. The Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), the mutated gene in cystic fibrosis (CF), is expressed by Ob. Using CF mouse models, we and other have shown that the presence of Cftr is important for the differentiation of murine mesenchymal stem cells (MSCs) into mature Ob and for Ob function. Interestingly, we found that the loss of CFTR affected cells coming from males and females differently. However, the mechanisms by which the CFTR causes these alterations are poorly understood. In order to explain these alterations, we focused on the parathyroid hormone (PTH)-PTHR1 signaling pathways, which are involved in the regulation of Ob differentiation. We propose that the absence of CFTR leads to gender-specific alterations in the response of MSCs and Ob to PTH. Using cells isolated from Cftr+/+ and Cftr-/- males and females and treated or not with PTH, we investigated the : 1) gene and protein expression levels of PTHR1; 2) activation of one of the PTH-PTHR1 signaling pathways (ERK1/2); 3) expression levels of Ob (receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG), Runx2, alkaline phosphatase (ALP), osteocalcin) and osteocyte target genes (Matrix Extracellular Phosphoglycoprotein (MEPE) and sclerostin) and; 4) osteoblast function (ALP activity). Our data show that gene expression levels of PTHR1 are similar between Cftr+/+ and Cftr-/- treated or not with PTH; however basal protein expression of PTHR1 is decreased in Cftr-/- female cells. PTH induces ERK1/2 phosphorylation in Cftr+/+ (males and females) and Cftr-/- (males), but this effect is absent in cells coming from Cftr-/- females. PTH increases the RANKL/OPG ratio and decreases the expression of Ob and osteocyte genes in Cftr+/+ cells. PTH fails to modulate the expression of these genes in Cftr-/- female cells. ALP activity is similar between Cftr+/+ and Cftr-/- cells treated or not with PTH. These results suggest that the absence of CFTR is associated with alterations in the response to PTH of murine MSCs and Ob that are more pronounced in cells coming from females. A better understanding of the pathophysiology of CFBD, and the influence of biological sex, may lead to better tailored therapies for CFBD.

La fibrose kystique (FK) est caractérisée par une inflammation pulmonaire chronique. Cette dernière est définie entre autres par une augmentation importante de la production de mucus. Celui-ci s'accumule dans les bronches empêchant ainsi l'éventuel passage de l'air. De plus, le mucus forme une barrière protectrice pour les bactéries qui va causer l'inflammation des poumons. La protéase human airway trypsin-like (HAT) a été retrouvée dans les expectorations de patients atteints d'asthme et bronchite chronique, pathologies similaires à la FK. Elle semble jouer un rôle dans l'inflammation car elle augmente entre autres la production de MUC5AC, protéine composant majoritairement le mucus. Le but de cette étude était de synthétiser la HAT dans une conformation active dans un système eucaryote pour étudier ses propriétés biochimiques, enzymatiques ainsi que son potentiel pro-inflammatoire dans la lignée cellulaire pulmonaire Calu-3. L'ADNc codant pour la partie soluble de la HAT a été inséré dans le vecteur pMT-BiP V5-His. Cet ADN recombinant fut ensuite transfecté dans les cellules de Drosophile Schneider 2 (S2). La HAT recombinante a par la suite été purifiée et son activité protéolytique testée avec un substrat fluorogénique. Ses propriétés biochimiques et enzymatiques ont été étudiées ainsi que son effet sur la production d'IL-8 et sa détection dans les expectorations de patients. La HAT purifiée était «enzymatiquement» pure, donc l'effet protéolytique observé avec le substrat fluorogénique est dû à la protéase. Les analyses de ses propriétés biochimiques montrent que l'activité protéolytique de la HAT est inhibée par un pH acide (<6.5), certains inhibiteurs synthétiques (l'aprotinine, la leupeptine et le PEFABLOC) et endogène (i.e: alpha-2 anti-plasmine (a2-AP)) de protéases à sérine. D'un autre côté, les essais enzymatiques révèlent que la HAT a une préférence pour les substrats ayant une arginine en P4, P3 et Pl plutôt que ceux ayant un glutamate en P4, P2 et P1'. Finalement, l'étude sur l'implication physiologique de l'enzyme démontre que la protéase ne semble pas avoir d'effet ou au plus peu d'effet sur la production d' IL-8. [Symboles non conformes]

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations du gène codant pour le canal Cl- CFTR. Au niveau respiratoire, cette dysfonction du transport transépithélial de Cl- occasionne une altération de la composition et du volume du liquide de surface des voies aériennes. Une accumulation de mucus déshydraté favorise alors la colonisation bactérienne et une réponse inflammatoire chronique, entraînant des lésions épithéliales sévères au niveau des voies aériennes et des alvéoles pouvant culminer en défaillance respiratoire. Le principal objectif de mon projet de maîtrise était d’étudier les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire sain, l’épithélium bronchique sain et FK à l’aide d’un modèle in vitro de plaies mécaniques. Nos résultats démontrent la présence d’une boucle autocrine EGF/EGFR contrôlant les processus de migration cellulaire et de réparation des lésions mécaniques. D’autre part, nos expériences montrent que l’EGF stimule l’activité et l’expression des canaux K+ KATP, KvLQT1 et KCa3.1 des cellules épithéliales respiratoires. L’activation de ces canaux est cruciale pour les processus de réparation puisque la majeure partie de la réparation stimulée à l’EGF est abolie en présence d’inhibiteurs de ces canaux. Nous avons également observé que les cellules FK présentent un délai de réparation, probablement causé par un défaut de la réponse EGF/EGFR et une activité/expression réduite des canaux K+. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de régulation des processus de réparation de l’épithélium sain et FK. De plus, ils ouvrent de nouvelles options thérapeutiques visant à promouvoir, à l’aide d’activateurs de canaux K+ et de facteurs de croissance, la régénération de l’épithélium respiratoire chez les patients atteints de FK. / The cystic fibrosis pathology (CF) is caused by mutations of the gene coding for the Cl- channel, CFTR. In the lungs, the dysfunction of transepithelial ion transport leads to an alteration of airway surface liquid volume and composition. Dehydrated mucus accumulation then favors chronic bacterial colonisation and inflammatory response, inducing severe epithelial injuries in the airways and the alveoli and then, respiratory failure. The main objective of my master degree project was to study normal alveolar, normal and CF bronchial epithelia repair processes using an in vitro model of mechanical wound-healing. Our results reveal the presence of an EGF/EGFR autocrine loop that controls cell migration and wound-healing. Our results show also that EGF signaling stimulate KATP, KvLQT1 and KCa3.1 K+ channel activity and expression in epithelial cells. K+ channel activation is crucial for repair processes since K+ channel inhibitors prevent most of EGF-stimulated wound-healing. We also observed that CF cells present delayed repair processes, probably caused by an EGF signaling defect and reduced K+ channel activity and expression. Our results allow us to better understand the regulatory mechanisms of normal and CF epithelial repair processes. Futhermore, our results open to new therapeutic options that promote, with K+ channel activators and growth factors, respiratory epithelium regeneration in CF patients.

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces. / Airway epithelial cells are the site of Cl- secretion through CFTR. Cystic fibrosis is a fatal genetic disease caused by mutations in CFTR. The most frequent mutation in North America (∆F508) results in impaired maturation and altered channel gating of the protein. In the last years, several small molecules were identified by high throughput screening that could restore mutated CFTR function. Compounds addressing CFTR gating defects are referred to as potentiators. The basolateral K+ channel KCa3.1 has been documented to play a prominent role in establishing a suitable driving force for CFTR-mediated Clsecretion in airway epithelial cells. It has been shown, for example, that the application of 1-EBIO on T84 monolayers results in a sustained increase of Clsecretion and that this current can be reversed by application of CTX, a KCa3.1 inhibitor (Devor et al., 1996). Thus, in a global approach of transepithelial transport, the research for physiologically relevant CFTR potentiators should also consider their effects on the KCa3.1 channel. Electrophysiological patch clamp measurements and channel structural modification by site directed mutagenesis were used to characterize the action of CFTR potentiators on KCa3.1 and study their molecular mode of action. In this work we present results on the effects on KCa3.1 of several CFTR potentiators of different structures. We observed that the CFTR potentiators genistein, curcumin, SF-03 and VRT-532 could inhibit KCa3.1 activity at concentrations known to activate CFTR. Our results suggest that SF- 03 could act indirectly on KCa3.1 through a mechanism involving an accessory protein. Curcumin would also have an indirect inhibitory effect, probably mediated by the plasma membrane, as documented for other ion channels. A detailed study of VRT-532 revealed that this molecule has access to its binding site in a state independent manner, and is poorly effective on the V282G mutant of KCa3.1, which is constitutively active. These results suggest that VRT-532 could act through the CaM/KCa3.1 complex and require the presence of Ca2+ to inhibit channel activity. In contrast, CBIQ, another CFTR potentiator, succeeded to activate KCa3.1. Our results in single channel show that CBIQ vii destabilizes a non conducting state of the channel. We also showed that this molecule increases the apparent Ca2+ affinity as well as the channel open probability, even in saturating Ca2+ conditions. Experiences in which Ba2+ was used as a probe were also performed to determine if the action mechanism of CBIQ involves an effect on the selectivity filter. Our results showed that Ba2+ could displace CBIQ from its interacting site, suggesting that the increases in channel activity induced by CBIQ could result from a change in the energetics of the channel at the level of the selectivity filter. On the basis of our results, we conclude that CBIQ, a CFTR potentiator, could activate KCa3.1 by destabilizing a non conducting state of the channel, probably through an action near the selectivity filter region. Also, CFTR potentiators having an inhibitory effect on KCa3.1 are likely to act through the plasmic membrane, the CaM/KCa3.1 interaction or an accessory protein of the channel. In a perspective of future treatments for CF, our results indicate that CBIQ could be an efficient potentiator since this product stimulates KCa3.1 as well as CFTR. Conversly, the VRT-532 and SF-03 could be less efficient than on CFTR alone, due to their inhibition of KCa3.1.

Les avancées en biotechnologie ont permis l’identification d’un grand nombre de mécanismes moléculaires, soulignant également la complexité de la régulation génique. Néanmoins, avoir une vision globale de l’homéostasie cellulaire, nous est pour l’instant inaccessible et nous ne sommes en mesure que d’en avoir qu’une vue fractionnée. Étant donné l’avancement des connaissances des dysfonctionnements moléculaires observés dans les maladies génétiques telles que la fibrose kystique, il est encore difficile de produire des thérapies efficaces. La fibrose kystique est causée par la mutation de gène CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator), qui code pour un canal chlorique transmembranaire. La mutation la plus fréquente (ΔF508) induit un repliement incorrect de la protéine et sa rétention dans le réticulum endoplasmique. L’absence de CFTR fonctionnel à la membrane a un impact sur l’homéostasie ionique et sur l’hydratation de la muqueuse respiratoire. Ceci a pour conséquence un défaut dans la clairance mucocilliaire, induisant infection chronique et inflammation excessive, deux facteurs fondamentaux de la physiopathologie. L’inflammation joue un rôle très important dans l’évolution de la maladie et malgré le nombre important d’études sur le sujet, la régulation du processus inflammatoire est encore très mal comprise et la place qu’y occupe le CFTR n’est pas établie. Toutefois, plusieurs autres facteurs, tels que le stress oxydatif participent à la physiopathologie de la maladie, et considérer leurs impacts est important pour permettre une vision globale des acteurs impliqués. Dans notre étude, nous exploitons la technologie des puces à ADN, pour évaluer l’état transcriptionnel d’une cellule épithéliale pulmonaire humaine fibro-kystique. Dans un premier temps, l’analyse de notre expérience identifie 128 gènes inflammatoires sur-exprimés dans les cellules FK par rapport aux cellules non FK où apparaissent plusieurs familles de gènes inflammatoires comme les cytokines ou les calgranulines. L’analyse de la littérature et des annotations suggèrent que la modulation de ces transcripts dépend de la cascade de NF-κB et/ou des voies de signalisation associées aux interférons (IFN). En outre, leurs modulations pourraient être associées à des modifications épigénétiques de leurs loci chromosomiques. Dans un second temps, nous étudions l’activité transcriptionnelle d’une cellule épithéliale pulmonaire humaine FK en présence de DMNQ, une molécule cytotoxique. Notre but est d’identifier les processus biologiques perturbés par la mutation du gène CFTR en présence du stress oxydatif. Fondé sur une analyse canonique de redondance, nous identifions 60 gènes associés à la mort cellulaire et leur variance, observée dans notre expérience, s’explique par un effet conjoint de la mutation et du stress oxydatif. La mesure de l’activité des caspases 3/7, des effecteurs de l’apoptose (la mort cellulaire programmée), montre que les cellules porteuses de la mutation ΔF508, dans des conditions de stress oxydatif, seraient moins apoptotiques que les cellules saines. Nos données transcriptomiques suggèrent que la sous-activité de la cascade des MAPK et la sur-expression des gènes anti-apoptotiques pourraient être impliquées dans le déséquilibre de la balance apoptotique. / Biotechnical advances have allowed a large number of molecular mechanisms to be identified, and have also underlined the complexity of gene regulation. Nonetheless, we still only have a partial understanding of cellular homeostasis. Even with our current knowledge, molecular dysfunctionality observed in genetic illnesses such as cystic fibrosis remain largely misunderstood, prohibiting us from developing efficient treatments. Cystic fibrosis is caused by a mutation of the CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) gene which codes for a chloric transmembrane channel. The most frequent mutation (ΔF508) causes the unfolding of the protein and its retention in the endoplasmic reticulum. This absence of a functional CFTR to the membrane has an impact on the ionic homeostasis and the hydration of the respiratory mucus. Consequently, the mucociliary clearance is disrupted, which leads to chronic infection and excessive inflammation - two fundamental factors of CF’s physiopathology. Inflammation plays a key role in the evolution of the illness and despite many studies on this subject, the regulation of the inflammatory process remains a mystery and CFTR’s role is not well established. Additionally, since the physiopathology cannot be explained by mutation alone, several authors suggest the importance of other factors (genetic and/or environmental) which are factors in the clinical picture of the illness. In our study, we use microarray technology to evaluate the transcriptional state of an epithelial lung cell issued from a human with cystic fibrosis. Initially, our analysis identifies 128 inflammatory genes which are over-expressed in the cystic fibrosis cells versus non-cystic fibrosis cells, showing several inflammatory gene families such as cytokines or calgranulins. An analysis of the publications and annotations of these transcripts suggests that their modulations depend upon the cascade of NF-κB and/or signalling pathways associated with interferons (IFN). In other words, their modulations could be associated with epigenetic modifications of their chromosomal loci. Secondly, we study the transcriptional activity of an epithelial lung cell issued from a human with cystic fibrosis in the presence of DMNQ, a cytotoxic molecule. Our goal is to identify the biological processus which are disturbed by the mutation of the CFTR gene in the presence of oxidative stress. Based on a canonical redundancy analysis, we identify 60 genes associated with cell death and their modulation in our study explained by the combined effect of mutation and oxidative stress. By measuring the activity of caspase 3/7, an effector of apoptosis (programmed cell death), we see that the cells containing the mutation ΔF508 could present a problem with apoptosis. Our transcriptomic data suggest that decreased activity of the MAPK cascade and over-expression of anti-apoptotic genes would be a factor in apoptotic imbalance.

Les patients fibrose kystique (FK) souffrent de complications digestives qui incluent une inflammation intestinale modérée dont l’étiologie est méconnue. Les personnes atteintes de FK présentent également une malabsorption des vitamines liposolubles, telles la vitamine D. Or, la vitamine D possède des propriétés immunomodulatrices et anti-inflammatoires. Le présent projet vise à investiguer le rôle du CFTR, dont le gène est muté dans la FK, dans l’étiologie de cette inflammation intestinale et à étudier le potentiel anti-inflammatoire de la vitamine D sur celle-ci. Le CFTR a été invalidé génétiquement par la méthode des ARN interférents (shRNAi) et/ou inhibé pharmacologiquement par l’utilisation d’un antagoniste inhibiteur spécifique (CFTRinh-172). Un état inflammatoire a été induit par les cytokines pro-inflammatoires TNF-α et IL-1β. Afin d’évaluer le rôle anti-inflammatoire de la vitamine D, les cellules ont été pré-traitées avec la forme bioactive de la vitamine D, la 1,25(OH)2D3. La sécrétion et l’expression génique d’interleukine-8, ainsi que l’activation de la voie de signalisation p38MAPK et du facteur de transcription NFκB ont été évaluées. Pour explorer la voie par laquelle la vitamine D exerce ses actions anti-inflammatoires, les cellules ont été pré-incubées avec le BIRB796 pour inhiber la voie p38MAPK. Finalement l’expression génique du récepteur nucléaire de la vitamine D et des hydroxylases intestinales impliquées dans son métabolisme a été déterminée. Nos résultats suggèrent que le CFTR a un rôle dans l’étiologie de l’inflammation intestinale associée à la FK. De plus, la vitamine D semble moduler à la baisse la réponse inflammatoire de la cellule intestinale dont le CFTR a été génétiquement invalidé. / Cystic fibrosis (CF) patients suffer from various digestive complications including moderate intestinal inflammation which etiology is unknown. Individuals with CF also display malabsorption of fat-soluble vitamins; including vitamin D. Vitamin D is a hormone that has immunomodulatory and anti-inflammatory properties. This project aims to investigate the role of CFTR, the mutated gene in CF, in the etiology of CF-related intestinal inflammation and to study the anti-inflammatory potential of vitamin D at this level. CFTR was genetically depleted by means of short hairpin RNA interference (shRNAi) and/or pharmacologically inhibited by the use of a specific inhibitor (CFTRinh-172). An inflammatory state was induced by pro-inflammatory cytokines TNF-α and IL-1β. To evaluate the anti-inflammatory role of vitamin D, cells have been pre-treated with the bioactive form of vitamin D, 1,25(OH)2D3. The secretion and gene expression of interleukin-8, as well as the activation of the p38MAPK signaling pathway and the NFκB transcription factor were assessed. To explore how vitamin D exerts its anti-inflammatory actions, cells were incubated with the BIRB796 to inhibit the p38MAPK pathway. Finally, gene expression of the vitamin D nuclear receptor and the intestinal hydroxylases involved in vitamin D metabolism were assessed. Our results suggest that CFTR plays a role in the etiology of intestinal inflammation associated with CF and that vitamin D reduces the inflammatory responses of CFTR knockdown cells.

La Fibrose kystique (FK), causée par des mutations du canal Cl- CFTR, entraîne une dysfonction de la sécrétion de Cl- et un débalancement dans la sécrétion des fluides. La diminution de la clairance mucociliaire qui s’en suit occasionne une accumulation du mucus. Cet environnement est alors favorable à l’installation d’infections et d’inflammation chroniques, responsables de lésions au niveau de l’épithélium respiratoire. Le vieillissement de la population FK, suite à la prise en charge plus appropriée de la maladie, est accompagné par l’émergence de pathologies associées, telles que le diabète. Celui-ci, ainsi que plusieurs autres facteurs comme l’infection à Pseudomonas aeruginosa, contribuent au déclin progressif de la fonction pulmonaire, principale cause de mortalité et de morbidité des patients FK. Le maintien de la fonction pulmonaire est dépendant notamment du transport ionique et liquidien régulant la clairance mucociliaire ainsi que de la réparation épithéliale nécessaire à la génération d’un épithélium fonctionnel en réponse aux agressions. Nous avons donc évalué l’impact de l’hyperglycémie et des exoproduits de P. aeruginosa sur ces deux mécanismes. Nos résultats ont tout d’abord montré qu’un niveau de glucose élevé diminue les courants Cl- CFTR et potassique et altère la réparation de l’épithélium bronchique FK et non FK. Nous avons aussi observé que l’hyperglycémie limite l’impact bénéfique de la correction de CFTR sur la réparation épithéliale. Dans un second temps, nous avons évalué l’impact de l’infection à Pseudomonas aeruginosa sur le CFTR, qui tient un rôle important dans la fonctionnalité de l’épithélium des voies aériennes non-FK. Nous avons noté que l’expression du CFTR ainsi que sa fonction sont réduites par l’exposition aux produits bactériens dans les cellules non-FK. De plus, ces exoproduits compromettent la maturation du CFTR muté par les correcteurs ainsi que leur bénéfice sur la réparation de l’épithélium FK. Finalement, nous avons testé différentes combinaisons de composés correcteurs et potentiateurs de CFTR afin de déterminer quelle stratégie serait la plus efficace afin de favoriser la réparation épithéliale bronchique FK malgré la présence d’infection. / Cystic fibrosis (CF), caused by mutations in the CFTR gene, is characterized by dysfunctional Cl- secretion and an imbalance in ion/fluid transport resulting in a decrease in mucociliary clearance. Accumulation of mucus then occurs and this favors bacterial infection in the airways. Chronic infection and inflammation is then responsible for progressive injuries to the lung epithelium. These mechanisms are associated with a decline in lung function, the main cause of morbidity and mortality in CF. The recent improvement in clinical care of patients with CF has led to an increase in median life expectancy, which allows the emergence of comorbidities, such as CF-related diabetes (CFRD). Because Pseudomonas aeruginosa infection and CFRD have been associated with decreased lung function, we investigated their impact on ion transports and epithelial repair, two main functions of airway epithelia. First, our results showed a reduction in Cl- secretion by CFTR and total K+ currents through CF and non-CF airway epithelial cells in hyperglycemic conditions. Moreover, our data indicated a decrease in wound closure rates of airway cell monolayers after exposure to high glucose. We also demonstrated an impairment of the beneficial effect of CFTR correctors on repair rates. The second part of our studies reveals a deleterious impact of Pseudomonas aeruginosa diffusible material (PsaDM) on CFTR expression and function in non-CF airways cells. Importantly, we showed, for the first time, that the presence of PsaDM altered the functional rescue of mutated CFTR by correctors and dampened their beneficial effect on CF wound repair. Finally, we tested several different combinations of corrector and potentiators in order to identify the most efficient compounds to improve the repair rates of CF monolayers despite the presence of PsaDM. Overall, our research demonstrated a deleterious impact of CFRD and PsaDM on ion transports and wound closure. Moreover, the new therapies with correctors may also be impacted by these two components.