Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Loss of vision in glaucoma results from the selective death of retinal ganglion cells (RGCs) and axonal degeneration. Elevated intraocular pressure (IOP) is the major risk factor for developing glaucoma, and current therapies have focused on pharmacological or surgical strategies to lower IOP. However, visual field loss continues to progress in spite of effective pressure control, indicating that mechanisms other than elevated IOP contribute to disease progression. Recent data demonstrate a neuroinflammatory component in glaucoma, characterized by upregulation of proinflammatory cytokines, most notably tumor necrosis factor α (TNFα). However, the mechanism by which the neuroinflammatory response acts on RGC death needs to be clarified. The main hypothesis of this thesis is that targeting pro-inflammatory factors including TNFα and phosphodiesterase-type 4 (PDE4), interferes with molecular mechanisms that contribute to RGC death and this will thus successfully promote neuronal protection. In the first part of my thesis, I used an in vivo glaucoma model in Brown Norway rats to show that TNFα is upregulated early after induction of ocular hypertension. The specific hypothesis of this study is that high levels of TNFα promote RGC death by mediating the membrane insertion of Ca2+-permeable AMPA receptors (CP-AMPARs). I blocked TNFα function with XPro1595, a selective inhibitor of soluble TNFα. Administration of XPro1595 effectively protected RGC soma and axons. The cobalt permeability assay was used to show that soluble TNFα triggers the membrane insertion of CP-AMPAR in RGCs of glaucomatous retinas. This CP-AMPAR activation is caused by the downregulation of GluA2 which occurs when neurons are exposed to elevated IOP. Finally, intraocular administration of specific CP-AMPAR antagonists promoted RGC soma and axon protection. Taken together, these results show that CP-AMPARs play an important role in in the pathology of glaucoma. In the second part of my thesis, I characterized the neuroprotective effect of ibudilast, an inhibitor of PDE4, in the Brown Norway glaucoma model. We hypothesized that ibudilast promotes neuron protection by attenuating gliosis and the neuroinflammatory response. The results show that in glaucomatous retinas, ibudilast attenuates gliosis and the expression of TNFα, interleukin-1β (IL-1β), interleukin-6 (IL-6) and macrophage migration inhibitory factor (MIF). Interestingly, elevated IOP leads to substantial expression of PDE4A in Müller cells, which correlates with the accumulation of cAMP in these cells after ibudilast treatment. Lastly, ibudilast promoted RGC soma and axons protection through the activation of the cAMP/PKA pathway. In conclusion, the findings presented in this thesis identify two different mechanisms underlying RGC loss in glaucoma. These mechanisms can potentially provide new insights to develop novel strategies for the treatment of glaucoma

Axonal protein synthesis is rapidly regulated by extrinsic cues during neural wiring but the full landscape of proteomic changes and their translational control mechanisms remain unknown. The ability to investigate the nascent proteome on subcellular compartments has been hampered by the low sensitivity of existing methodology on quantity-limited samples combined with the difficulty of obtaining sufficient amounts of pure material. By combining pulsed Stable Isotope Labelling by Amino acids in Cell culture (pSILAC) with Single-Pot Solid-Phase-enhanced Sample Preparation (SP3), I have established an approach to characterize the nascent proteome from quantity-limited somaless retinal axons (~2μg) on an unparalleled rapid time-scale (5 min). The results show that a surprisingly large number of proteins (>350) is translated constitutively in axons, many of which are linked to neurological disease. Axons stimulated by different cues (Netrin-1, BDNF, Sema3A) each show a signature set of up/down newly synthesised protein (NSP) changes (>100) within 5 min. Remarkably, conversion of Netrin-1-induced responses from repulsion to attraction triggers opposite translational regulation for 73% of a common subset corresponding to >100 NSPs. Further, I show that pharmacological increase in cAMP, known to induce chemoattractive response, also leads to rapid and wide-scale remodelling of the nascent axonal proteome (~100 NSP changes). I find that the cAMP-elicited NSP changes underlie the attractive turning but are distinct from those induced by the physiological chemoattractant Netrin-1, suggesting that the same type of chemotropic response can be mediated by different protein synthesis-dependent mechanisms. Finally, I show that Sema3A, but not Slit1, triggers a physiological and non-canonical PERK-eIF2α-eIF2B signalling pathway required in neural wiring to elicit the rapid (< 15 min) local translation control of a specific subset of NSPs. Collectively my findings lead to the general conclusion that guidance molecules rapidly induce cue-specific remodelling of the nascent axonal proteome via distinct regulatory mechanisms.

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Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie. / Glaucoma is the second cause of irreversible blindness worldwide. Loss of vision in glaucoma is accompanied by progressive optic nerve degeneration and selective loss of retinal ganglion cells (RGCs). Ocular hypertension is a major risk factor in glaucoma, but visual field defects continue to progress in a large group of patients despite the use of drugs that lower intraocular pressure (IOP). Therefore, although IOP is the sole modifiable risk factor in the development of glaucoma, its regulation is not sufficient to protect RGCs and preserve visual function in many affected patients. To address this issue, I put forward the central hypothesis that effective therapeutic strategies for glaucoma must interfere with molecular mechanisms that lead to RGC death to successfully promote structural and functional protection of these neurons. In the first part of my thesis, I characterized the neuroprotective effect of galantamine, an acetylcholinesterase inhibitor that is clinically used for the treatment of Alzheimer’s disease. The specific hypothesis of this study was that galantamine, by modulating acetylcholine receptor activity, can improve the survival of injured RGCs in glaucoma. A well characterized experimental model of ocular hypertension induced by administration of a hypertonic saline into an episcleral vein of Brown Norway rats was used. The results of this study (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) demonstrated that daily administration of galantamine significantly improved the survival of RGC soma and axons in this model. Structural protection of RGCs correlated with substantial preservation of visual function, assessed by recording visual evoked potentials (VEPs) from the superior colliculus, the primary target of RGCs in the rodent brain. An interesting finding during the course of my thesis was that there is a substantial loss of retinal capillaries and a reduction in retinal blood that correlates with RGC loss in experimental glaucoma. Interestingly, galantamine also promoted the protection of the microvasculature and improved retinal blood flow in ocular hypertensive animals (Almasieh et al. in preparation). Importantly, I demonstrated that galantamine-mediated neuro- and vasoprotection occur through activation of muscarinic acetylcholine receptors. In the second part of my thesis, I investigated the role of oxidative stress and the use of reducing compounds to test the hypothesis that blockade of a superoxide burst may delay RGC death in experimental glaucoma. I took advantage of a novel phosphinevi borane based antioxidant compound available to us (PB1) to investigate its neuroprotective effect and mechanism of action in experimental glaucoma. The data demonstrate that intraocular administration of PB1 resulted in significant protection of RGC soma and axons. I also explored the molecular pathways leading to PB1-mediated neuronal survival by analyzing the components of survival and apoptotic signaling pathways involved in this response. My results show that PB1-mediated RGC survival did not correlate with inhibition of stress-activated protein kinase signaling, including ASK1, JNK or p38. Instead, PB1 led to a striking increase in retinal BDNF levels and downstream activation of the pro-survival ERK1/2 pathway (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). In conclusion, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC loss in glaucoma and might provide insights into the design of novel neuroprotective and vasoprotective strategies for the treatment and management of this disease.

La sclérose en plaques est une maladie dégénérative qui peut affecter la vision ainsi que différentes structures du système visuel afférent. La partie de l'oeil plus souvent affectée par la sclérose en plaques est le nerf optique, sous forme de névrite optique. Une technologie, nommée TCO (tomographie par cohérence optique), permet de prendre une image du nerf optique et de ses fibres nerveuses qui s'étendent sur la rétine. Dans cette thèse, la TCO a permis d’obtenir une épaisseur des fibres nerveuses autour du nerf optique, ainsi qu’une épaisseur totale de la macula et de la couche de cellules ganglionnaires chez les patients atteints de sclérose en plaques, avec et sans histoire de nérite optique, et chez un groupe de patients contrôle. Les résultats démontrent que seule l’épaisseur de la couche de cellules ganglionnaires permet de différentier les patients avec sclérose en plaques sans histoire de névrite optique des patients contrôle. Une deuxième étude a évalué la qualité visuelle en mesurant la sensibilité aux contrastes ainsi que la qualité de vie reliée à la vision avec un questionnaire de qualité de vie. Les résultats démontrent qu’une nouvelle charte de sensibilité aux contrastes, plus facile à administrer en clinique, permet aussi de différentier les patients sans névrite optique du groupe contrôle. De plus, la qualité de vie des patients ayant eu un épisode de névrite optique semble significativement affectée, même si le pronostic est considéré très favorable et que l’acuité visuelle est « bonne » suite à une névrite optique. En conclusion, l’utilisation de l’OCT en plus de mesures sensibles de fonction visuelle, telle la sensibilité aux contrastes, et de qualité de vié peuvent contribuer à mieux détecter des dysfonctions oculo-visuelles subtiles, mais importantes chez les patients atteints de sclérose en plaques. / Multiple sclerosis (MS) is the most common neurological condition causing disability in working-age adults. The hallmark of MS related disability is axonal loss. Through new technologies, such as optical coherence tomography (OCT), the retinal nerve fibre layer (RNFL), composed of ganglion cell axons, can be visualized and studied non-invasively in cross-section. Furthermore, recent OCT advances allow precise retinal layer segmentation and macular imaging of the ganglion cell layer. In this thesis, these different OCT parameters were measured to see which layers would be most affected in MS patients without previous optic neuritis. Results show that macular ganglion cell layer thickness is the only OCT parameter that can differentiate this sub-group of patients from healthy controls. Visual function was then assessed using a newly available, easy to use contrast sensitivity chart that can be self-administered by patients. Results show that this chart is also capable of differentiating MS patients without optic neuritis from controls, but usually gives better contrast sensitivity scores than the Mars chart. Lastly, vision-specific quality of life was assessed and proved to be reduced in MS patients with prior optic neuritis, despite supposed favorable recovery and good visual acuity in patients with this diagnosis. In sum, the use of OCT imaging, as well as sensitive visual function and quality of life measures, could help detect subtle, yet important structural or functional visual changes in patients with MS. This could ultimately help better screen, manage and counsel this subset of patients.

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