The discovery that proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) mediates degradation of low-density lipoprotein receptors (LDLR) indicates a critical role in LDL metabolism. PCSK9 is a secreted protein that binds to the epidermal growth factor-like (EGF)-A domain of LDLR and directs the receptor for degradation in lysosomes by an unknown mechanism. A gain-of-function mutation, D374Y, increases binding to LDLR EGF-A >10-fold and is associated with a severe form of hypercholesterolemia in humans. Similar to previous studies, data obtained in my project has established that PCSK9 was capable of promoting robust LDLR degradation in liver-derived cell lines; however, minimal effects on LDLR levels were detected in several lines of fibroblast cells despite normal LDLR-dependent cellular uptake of PCSK9. Importantly, a PCSK9 degradation assay showed that 125I-labeled wild-type PCSK9 was internalized and degraded equally in both hepatic and fibroblast cells, indicating dissociation of wild-type PCSK9 from recycling LDLRs in fibroblasts. Moreover, PCSK9 recycling assays confirmed that no recycling of wild-type PCSK9 to the cell surface could be detected in fibroblast cells. In contrast, more than 60% of internalized PCSK9-D374Y recycled to the cell surface in these cells, and thus had reduced ability to direct the LDLR for lysosomal degradation despite persistent binding. Co-localization studies indicated that PCSK9-D374Y trafficked to both lysosomes and recycling compartments in fibroblast cells, whereas wild-type PCSK9 exclusively trafficked to lysosomes. We conclude that two factors diminish PCSK9 activity in fibroblast cells: i) an increased dissociation from the LDLR in early endosomal compartments, and ii) a decreased ability of bound PCSK9 to direct the LDLR to lysosomes for degradation. Finally, an LDLR variant that binds to PCSK9 in a Ca2+-independent manner could partially restore wild-type PCSK9 activity, but not PCSK9-D374Y activity, in fibroblast cells.

The discovery that proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) mediates degradation of low-density lipoprotein receptors (LDLR) indicates a critical role in LDL metabolism. PCSK9 is a secreted protein that binds to the epidermal growth factor-like (EGF)-A domain of LDLR and directs the receptor for degradation in lysosomes by an unknown mechanism. A gain-of-function mutation, D374Y, increases binding to LDLR EGF-A >10-fold and is associated with a severe form of hypercholesterolemia in humans. Similar to previous studies, data obtained in my project has established that PCSK9 was capable of promoting robust LDLR degradation in liver-derived cell lines; however, minimal effects on LDLR levels were detected in several lines of fibroblast cells despite normal LDLR-dependent cellular uptake of PCSK9. Importantly, a PCSK9 degradation assay showed that 125I-labeled wild-type PCSK9 was internalized and degraded equally in both hepatic and fibroblast cells, indicating dissociation of wild-type PCSK9 from recycling LDLRs in fibroblasts. Moreover, PCSK9 recycling assays confirmed that no recycling of wild-type PCSK9 to the cell surface could be detected in fibroblast cells. In contrast, more than 60% of internalized PCSK9-D374Y recycled to the cell surface in these cells, and thus had reduced ability to direct the LDLR for lysosomal degradation despite persistent binding. Co-localization studies indicated that PCSK9-D374Y trafficked to both lysosomes and recycling compartments in fibroblast cells, whereas wild-type PCSK9 exclusively trafficked to lysosomes. We conclude that two factors diminish PCSK9 activity in fibroblast cells: i) an increased dissociation from the LDLR in early endosomal compartments, and ii) a decreased ability of bound PCSK9 to direct the LDLR to lysosomes for degradation. Finally, an LDLR variant that binds to PCSK9 in a Ca2+-independent manner could partially restore wild-type PCSK9 activity, but not PCSK9-D374Y activity, in fibroblast cells.

La cholestase intrahépatique représente environ 40% des lésions hépatiques induites par les médicaments et se caractérise par une accumulation intracellulaire des acides biliaires (AB). Les mécanismes impliqués sont encore mal connus et sa prédiction reste difficile. Le but de ce travail était de caractériser dans la cholestase d’origine médicamenteuse et de développer des méthodes de screening pour sa prédiction précoce, en utilisant la lignée humaine hépatique HepaRG et les hépatocytes humains. Tout d’abord, nous avons démontré que la motilité des canalicules biliaires (CB) est indispensable à la clairance des AB et requiert une alternance de phosphorylation/déphosphorylation de la chaine légère de la myosine (MLC), contrôlé par la voie Rho-kinase/Myosin Light Chain Kinase (ROCK/MLCK). Nous avons ensuite montré pour la première fois que les médicaments cholestatiques altèrent la voie ROCK/MLCK/MLC et la dynamique des CB. En utilisant la famille des antibiotiques résistant à la pénicillinase, dont fait partie la flucloxacilline, responsable de nombreux cas de cholestase, nous avons observé que la dérégulation de ROCK pouvait se faire par activation de HSP27, associée aux voies de signalisation PKC/P38 et PI3K/AKT. Enfin, nous avons montré une capacité variable des médicaments cholestatiques à moduler les profils des AB. En effet, les médicaments cholestatiques majeurs induisent une accumulation préférentielle des AB hydrophobes toxiques, in vitro, dans les premières 24h, qui résulte d’une inhibition de leur amidation. Au total, l’ensemble du travail a permis de progresser dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la cholestase d’origine médicamenteuse et de mettre en évidence de nouveaux biomarqueurs utiles pour sa prédiction. / Intrahepatic cholestasis represents around 40% of drug-induced liver injuries and is characterized by intracellular accumulation of bile acids (BA); mechanisms involved and its accurate prediction remains challenging. The aim of the current work was to characterize the mechanisms involved in drug-induced cholestasis and to develop screening methods for its early prediction, using human differentiated HepaRG and primary human hepatocytes. First, we demonstrated that bile canaliculi (BC) motility is essential for BA clearance and requires alternating phosphorylation/dephosphorylation of myosin light chain (MLC) that is controlled by the Rho-kinase/Myosin Light Chain Kinase (ROCK/MLCK) signaling pathway. Then, we showed, for the first time that cholestatic drugs could alter the ROCK/MLCK/MLC pathway and BC dynamics. Using the penicillinase-resistant antibiotics family, including flucloxacillin that is responsible for many cases of cholestasis, we found that deregulation of ROCK could be modulated by HSP27, associated with PKC/P38 and PI3K/AKT signaling pathways. Finally, we evidenced variable potency of cholestatic drugs to modulate BA profiles. Indeed, the well-known cholestatic drugs induced a preferential accumulation of unconjugated toxic hydrophobic BA in vitro within the first 24h that resulted from inhibition of their amidation. Altogether, these data bring new information on the understanding of the mechanisms involved in drug-induced cholestasis and highlight new morphological and molecular predictive biomarkers of drug-induced cholestasis.

La nécessité de nouveaux modes de suppléance hépatique se fait clairement ressentir pour maintenir en vie les patients en attente d’une greffe. Des traitements, basés sur l’utilisation de cellules cultivées dans un environnement adéquat, pourraient même permettre le rétablissement de certains patients en insuffisance hépatique sévère et ainsi éviter la greffe et les traitements immunosuppresseurs associés. Une suppléance hépatique efficace pourrait aussi servir au rétablissement des patients récemment greffés ou ayant subi une hépatectomie. L’objectif de cette thèse a été de développer, créer et valider un nouveau foie bioartificiel avec une prise en compte des contraintes réglementaires des médicaments combinés de thérapie innovante. Ce BAL doit pouvoir inclure des bioréacteurs à lit fluidisé perfusés par du plasma et contenant des sphéroïdes d’hépatocytes encapsulés. Des microparticules de verre, ajoutés aux billes d’alginate pour les alourdir, permettent d’obtenir une fluidisation optimale dans du plasma pathologique sans que des effets délétères ne soient observables ni pour les cellules ni pour les propriétés mécaniques des billes. Une méthode de culture cellulaire utilisant un revêtement anti-adhérent sur des boites de Petri en verre permet de produire un nombre important de sphéroïdes viables in vitro. Ces sphéroïdes encapsulés peuvent être maintenus vivants et métaboliquement actifs dans un bioréacteur à lit fluidisé pendant au minimum 4 jours.Pour assurer l’efficacité du BAL et la sécurité des patients, une circulation extracorporelle complexe a été mise au point pour être compatible avec une machine d’épuration extracorporelle commerciale, la Prismaflex® de la société Gambro, déjà utilisée en soins intensifs. Une étude préclinique sur un modèle ovin a montré que le traitement était bien toléré en ce qui concerne les aspects hémodynamiques. La prochaine étape concerne la mise en place d’une étude dans un modèle porcin d’insuffisance hépatique, avant de pouvoir procéder aux premiers essais cliniques. / The need for new liver support devices is clearly felt to allow keeping alive patients waiting for a transplant. Treatments, based on the use of cells cultured in an adequate environment, may even allow the recovery of some patients suffering from acute liver failure and avoid graft and associated immunosuppressive therapies. A hepatic substitution could also be used to reestablish patients recently transplanted or who had underwent an hepatectomy.. The objective of the thesis was to design, create and validate of a new bioartificial liver with consideration for the regulatory requirements of the Advanced Therapies Medical Product (ATMP). This device has to include fluidized bed bioreactors perfused with plasma and hosting alginate-encapsulated hepatocytes spheroids. Microparticles of glass have been added to weight down alginate beads in order to have an optimal fluidization in pathological plasma without negative effects neither on cells metabolism nor on mechanical properties of the beads. A cellular culture method using non adhesive coating in Petri dish led to the production of a large amount of viable spheroids in vitro. These encapsulated spheroids can be kept alive and metabolically active in a fluidized bed bioreactor during a minimum of four days. To ensure the efficacy of the BAL and the safety of patients, a complex extracorporeal circulation was designed to be compatible with a commercial medical device, the Prismaflex® monitor of the company Gambro, already used in intensive care units. A preclinical study on sheeps has shown that the treatment was well tolerated in terms of hemodynamics considerations. The next step is the establishment of a study in a porcine model of liver failure, before we can proceed to the first clinical trial.

Les polyesters aliphatiques, comme le poly(acide malique) et ses dérivés, sont une famille de polymères aux propriétés de bio(comptabilité) et de bio(dégradabilité) remarquables, qui en font des candidats de choix pour l'élaboration de systèmes de vectorisation de principes actifs. Généralement, ces polymères sont synthétisés via des réactions de polymérisation utilisant des amorceurs, voir des catalyseurs, organiques, organométalliques ou métalliques. La présence de ces molécules, même à l'état de traces, peut être à l'origine d'une toxicité non souhaitée. Par conséquent, l'utilisation de biocatalyseurs, comme les lipases, se développe pour apporter une solution à cet inconvénient. Cependant, cette voie de synthèse enzymatique fait face à d'autres problèmes, tels qu'une polymérisation moins bien maîtrisée et des polymères de masses molaires faibles. Cette thèse a donc pour objectif de mettre au point une voie de polymérisation du malolactonate de benzyle utilisant la lipase de pancréas de porc (PPL) comme amorceur. Dans un premier temps, nous avons optimisé certains paramètres réactionnels permettant d'obtenir des poly(malate de benzyle) , PMLABe, de masses molaires suffisamment élevées pour que ces polymères puissent être utilisés dans la formulation de vecteurs de principes actifs, grâce à l'utilisation et l'extrapolation d'un plan d'expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés à la compréhension du mécanisme réactionnel de la polymérisation enzymatique du malolactonate de benzyle, une β-lactone β-substituée. Les différentes études menées ont permis d'approfondir notre connaissance dans ce domaine. Deux mécanismes ont été proposés et des expériences sont en cours pour confirmer l'un d'entre eux. Finalement, comme l'objectif initial est de proposer une méthode de synthèse de dérivés du PMLA plus biocompatibles conduisant à des polymères sans résidus d'amorceurs chimiques toxiques, nous avons comparé les activités biologiques de nanoparticules préparées à partir de PMLABe synthétisés par voie chimique et par voie enzymatique. Pour cela, nous avons mesuré la captation de ces nanoparticules, encapsulant une sonde de fluorescence, par des cellules hépatiques HepaRG. Puis, nous avons évalué la toxicité aiguë et la toxicité chronique de ces nanoparticules vis-à-vis des cellules HepaRG. Ces études ont permis de mettre en évidence certaines propriétés des nanoparticules ayant une influence sur la survie cellulaire et le métabolisme des cellules HepaRG. De la compréhension théorique aux applications potentielles, cette thèse apporte des connaissances sur la polymérisation enzymatique des lactones substituées, un domaine peu décrit dans la littérature. / Aliphatic polyesters, like poly(malic acid)and its derivatives, are a family of polymers with outstanding properties, such as bio(degradability) and bio(compatibility). Therefore, these polyesters can be considered as excellent candidates for the design of drug carriers. These kinds of polymers are usually synthesized thanks to polymerization reactions using organic, organometallic or metallic initiators or catalysts. The presence of such molecules, even in trace amounts, can cause undesired toxicities. Therefore, the use of biocatalysts, like lipases, is attracting more and more interest and research work to circumvent this problem. However, this enzymatic polymerization method has to face to other issues, such as a lower controlled of the polymerization process and polymers with lower molar masses. Therefore, this PhD research work aimed at setting up the enzymatic polymerization of benzyl malolactonate, using porcine pancreatic lipase (PPL). Firstly, we have optimized some reactional parameters allowing to obtain poly(benzyl malate), PMLABe, with molar masses adapted to their uses for the design of drug carriers, thanks to a Design of Experiments (DoE) and its extrapolation. We were then interested by the comprehension of the enzymatic polymerization mechanism of the benzyl malolactonate. The different studies we carried out allowed us to deepen our knowledges of such enzymatic polymerization. Two non-canonical mechanisms were proposed and further experiments are in progress to confirm the one which is the more probable. Finally, because our initial goal was to propose a more biocompatible polymerization method to obtain PMLABe free of traces of chemical initiator, we compared biologic activities of different nanoparticles prepared from PMLABe synthesized using chemical or enzymatic pathway. For that, we have first measured the uptake of these nanoparticles encapsulating a fluorescent dye, by the hepatic cells HepaRG. Then, we have studied the acute and chronic toxicity of the nanoparticles on the HepaRG cells. Results of these studies have highlighted that certain properties of the nanoparticles and/or of the polymers which constituted them have an influence on the cells viability and on the cells metabolism. From the theoretical mechanism to the probable applications, this thesis brings knowledge about the enzymatic polymerization of substituted lactone, a field poorly described in the literature.