Ce travail scientifique a abordé la problématique de la communication cellulaire entre le pancréas exocrine et endocrine dans la mucoviscidose. La contribution des infections pulmonaires chroniques et des traitements immunosuppresseurs sur la dégénerescence pancréatique a été aussi étudiée. Les résultats obtenus ont montré que le LPS disséminé par des infections récurrentes peut cibler les cellules pancréatiques exocrines, en conduisant à la formation des microparticules membranaires qui sont nuisibles pour la survie et le fonctionnement des cellules endocrines. Dans cette communication intercellulaire, la protéine CFTR est un médiateur essentiel de la sévérité des signaux délivrés par les microparticules et de la réponse cellulaire à l'inflammation du pancréas, en participant à l'équilibre de la sécrétion d'insuline des cellules endocrines. En outre, les données ont mis en évidence que l'administration prolongée d’immunosuppresseurs chez les patients greffés pourrait différemment induire l'apoptose de manière dépendante de la mitochondrie, cela en favorisant l'entrée des cellules en sénescence prématurée, un état métabolique du dysfonctionnement cellulaire. / This scientific work tackled the issue of the communication between exocrine and endocrine pancreas in cystic fibrosis. Also, the contribution of recurrent lung infections and immunosuppressive therapy to the pancreatic cell degenerescence was studied in vitro. Results obtained showed that disseminated LPS released by recurrent infections could target pancreatic exocrine cells, leading to the formation of membrane microparticles that are deleterious for endocrine cell survival and function. In this intercellular cross-talk, CFTR is a critical mediator for the severity of the MP-delivered signals and for the pancreatic cell response to inflammation, also participating to the balance of insulin secretion of endocrine cells. Furthermore, data evidenced that long-term administration of immunosuppressive drugs in grafted patients may differently induce apoptosis in a mitochondrial-dependent fashion, possibly favoring cells to enter premature senescence, which is a metabolic state of cellular dysfunction.

Le mécanisme d‘interaction d‘un composé xénobiotique avec la membrane est un des facteurs clés qui influence son mécanisme d‘action biologique et donc son action thérapeutique pour un principe actif. Une analyse précise des interactions intermoléculaires à l‘échelle atomique peut être obtenue par dynamique moléculaire, une méthode qui apparait plus que jamais comme une alternative élégante aux techniques expérimentales. Les simulations de dynamique moléculaire permettent d‘évaluer ces interactions avec une résolution temporelle et spatiale difficiles à atteindre avec les méthodes expérimentales. Ces informations constituent une pierre angulaire de la compréhension des mécanismes d‘action des xénobiotiques . Les résultats obtenus corrèlent généralement bien avec les données expérimentales. Dans ce travail théorique, nous avons utilisé des dynamiques moléculaires non -biaisées et biaisées (z-Contraint). Nous avons étudié les modes d‘insertion (positionnement et orientation), les coefficients de partition, et la capacité de différents xénobiotiques à traverser la bicouche lipidique (perméation passive). Plusieurs composés de différentes familles thérapeutiques ont été étudiés (antiviraux, immunosuppresseurs et antioxydants), tous étant utilisés en transplantation d‘organes ; les antioxydants sont étudiés en tant que protecteurs d‘organe contre les phénomènes d‘ischémie -reperfusion. Pour la perméation passive, les profils d‘ énergies, les coefficients de diffusion locaux et la résistance à la traversée ont été calculés pour finalement obtenir des coefficients globaux de perméabilité. Nous avons montré que ces techniques de calcul donnent une description qualitative du processus d‘insertion/perméation, montrant notamment le rôle de différentes propriétés physiques (ex., polarité, charge). Des résultats remarquables ont été obtenus pour les larges molécules. Malgré la taille, ces mol cules peuvent s‘ insérer dans la bicouche lipidique relativement facilement (faibles barrières énergétiques). Par contre, leur diffusion dans les différentes régions de la membrane peut augmenter d‘une manière signifiante. Ce travail donne une confiance accrue dans les méthodes de dynamique moléculaire pour devenir prédictive dans les années avenirs, et aide de façon concrète les pharmacologues dans la recherche de nouvelles stratégies thérapeutiques. / The mechanism of interaction between drugs or any xenobiotic and membrane is one of thekey factors that affect its biological of action, and so its therapeutic activity. A thoroughrationalization of the relationship between the intrinsic properties of the xenobiotics and theirmechanism of interaction with membranes can now be assessed with atomistic details.Molecular dynamics (MD) is a powerful research tool to study xenobiotics-membraneinteractions, which can access time and space scales that are not simultaneously accessibleby experimental methods. Semi-quantitative molecular and thermodynamic descriptions ofthese interactions can be provided using in silico model of lipid bilayers, often in agreementwith experimental measurements.The main goal of our investigation consisted to get in depth insight into the mechanisms ofinteraction/partitioning/insertion/crossing with/in/into/through membrane and drug deliveryusing MD. In this thesis, we have focused on both drugs used in renal transplantation (e.g.,antivirals, immunosuppressants) and antioxidants, which can also be used to protect organsalong the transplantation processes. We have provided a series of clues showing that MDsimulations can tackle the delicate process of drug passive permeation.Both, unbiased and biased MD (z-constraint) simulations have been used to elucidate thexenobiotics-membrane interactions (i.e., positioning and orientation) and to evaluate crossingenergies, diffusion coefficients, and permeability coefficients. These findings led us to drawqualitative structure-permeability relationships (SPR). We have carefully analyzed how thechemical and physical properties of xenobiotics affect the mechanism of interactions andthus permeability. The robustness of these MD-based methodologies has been determinedto qualitatively predict these pharmacological parameters. Hydrophobic compounds showeda favorable partitioning into the lipid bilayer and relatively low Gibbs energy of crossing thecenter of membrane (ΔGcross). Hydrophilic or charged compounds showed partitioning closeto membrane surface, in interaction with the polar head groups and water molecules; this hasbeen shown to dramatically increase ΔGcross. Amphiphilic compounds are intermediatecompounds in terms of membrane insertion/positioning/crossing. It clearly appears that theyshould be analyzed case by case, an analysis for which MD simulations could be particularlysupportive. Also the influence of size at predicting permeation has been studied (i.e.,relatively large drugs were tested). The molecular size has shown no significant influence onΔGcross whereas diffusion coefficients were significantly affected, depending on themembrane regions.

Les immunosuppresseurs sont des médicaments ayant démontré leur efficacité dans la prévention du rejet de transplantation d’organe solide. Néanmoins, ces médicaments présentent une importante variabilité de la réponse pharmacologique notamment liée à une variation de leur pharmacocinétique. Cette variabilité peut être à l’origine d’un défaut d’efficacité du traitement ou de sur-expositions entrainant une toxicité. Le suivi thérapeutique pharmacologique (STP) des concentrations sanguines d’immunosuppresseur permet de limiter ces risques de sur ou de sous-exposition en facilitant l’adaptation de posologie de ces traitements. En dépit de l'utilisation intensive du STP des concentrations d'immunosuppresseurs chez le transplanté d'organe, la fréquence du rejet aigu a peu diminué au cours de ces dernières années et reste élevée. Le rejet aigu cellulaire peut, en outre, survenir chez le patient alors même que ses concentrations sanguines sont en zone thérapeutique. C'est pourquoi la recherche d'améliorations de ce suivi thérapeutique ainsi que la recherche de nouveaux moyens de monitoring sont des axes pertinents d'investigation en pharmacologie des immunosuppresseurs. L’objectif de ce travail de doctorat a été de développer de nouveaux outils pharmacologiques de monitoring de l’effet de deux immunosuppresseurs, l’évérolimus et le tacrolimus, dans le but de participer à la maitrise de la variabilité pharmacologique de l’effet immunosuppresseur. Pour la première fois, la pharmacocinétique de l'évérolimus chez le transplanté cardiaque a été modélisée par une approche de population. La modélisation pharmacologique est un des axes actuels d’amélioration du STP des immunosuppresseurs permettant d’évaluer l’impact de covariables démographiques, biologiques et/ou génétiques sur la pharmacocinétique de ces médicaments. L’élaboration de ce modèle doit permettre une individualisation des posologies conduisant à la limitation de la variabilité pharmacocinétique lors d’un traitement par cette molécule.Au cours de ce travail, deux méthodes analytiques ont également été développées par LC-MS/MS pour le dosage intracellulaire de l’évérolimus et du tacrolimus. La mesure des concentrations des immunosuppresseurs à l’intérieur même de la cellule, c’est à dire au niveau de son site d’action, apparait comme une mesure plus pertinente que la simple mesure des concentrations dans le sang. Ces méthodes ont ensuite été évaluées sur des petites cohortes de patients transplantés cardiaques. La faisabilité de tels dosages a été démontrée et a permis la réalisation de la dernière partie présentée au cours de ce travail. En effet, une étude clinique a été réalisée chez le patient transplanté hépatique de novo en vue de rapprocher les concentrations sanguines et intracellulaires de tacrolimus et l'effet sur la protéine cible, la calcineurine. Pour la première fois des pharmacocinétiques intracellulaires complètes ont pu être obtenues permettant la description de la cinétique intracellulaire du tacrolimus. Cette étude a également permis de mettre en évidence et de décrire la relation dose - concentration sanguine - concentration intracellulaire - effet sur la protéine cible du tacrolimus chez le transplanté hépatique. Ces travaux ont permis de jeter les bases nécessaires à la réalisation d'essais cliniques permettant d'évaluer la pertinence d'un suivi longitudinal des concentrations intracellulaires et/ou de l'activité de la calcineurine dans la prévention de rejet de transplantation. Les outils développés au cours de ce travail de doctorat visent, d’une part, à mieux appréhender la variabilité de la réponse pharmacologique au cours d’un traitement immunosuppresseur et, d’autre part, à être des outils de compréhension des mécanismes pharmacocinétiques et cellulaires de ces traitements. L'utilisation de ces outils doit concourir à la diminution de la fréquence du rejet de greffe et à l'amélioration globale de la prise en charge du patient transplanté d'organe. / Immunosuppressive drugs have proven efficacy in the prevention of acute rejection of solid organ transplantation. However, these drugs exhibit substantial variability in pharmacological response due to such a variation in their pharmacokinetics. This variability may be the cause of underexposure with a lack of efficacy or over-exposure causing toxicity. Therapeutic drug monitoring (TDM) of immunosuppressant blood levels can limit the risk of over or underexposure facilitating dosage adjustment of these treatments. Despite the extensive use of TDM, the incidence of acute rejection has declined somewhat in recent years and remains high (in the order of 8-15%). Acute cellular rejection can further occur in patients even though blood levels are within the therapeutic range. That is why improvements in the therapeutic monitoring and new ways of monitoring are relevant lines of investigation in pharmacology.The objective of this phD work was to develop new pharmacological tools for monitoring the effect of two immunosuppressive drugs, everolimus and tacrolimus in order to control the pharmacological variability of the immunosuppressive effect .For the first time, the pharmacokinetics of everolimus in heart transplant was modeled by a population approach. Pharmacological modeling is one of the current areas of improvement of immunosuppressants TDM which allows evaluating the impact of demographic, biological and / or genetic on the pharmacokinetics of these drugs covariates. The development of this model must allow individualization of dosages leading to limit pharmacokinetic variability during treatment with this drug.During this work, two analytical methods were also developed by LC-MS/MS for assaying intracellular tacrolimus and everolimus concentrations. Measuring intracellular concentrations of immunosuppressive drugs, i.e. at its site of action, appears as a more relevant than measuring blood concentrations. These methods were then evaluated on small cohorts of heart transplant patients. The feasibility of such assays has been demonstrated and led to the completion of the last part presented in this work.Indeed, a clinical study was performed in de novo liver transplant patients to evaluate blood and intracellular concentrations of tacrolimus and their effect on the target protein, calcineurin. For the first time complete intracellular pharmacokinetics have been obtained for the description of the profile of the intracellular kinetics of tacrolimus. This study also highlights and describes the relationship dose - blood concentration - intracellular concentration - effect on the target protein of tacrolimus in liver transplant patients. This work might help conducting clinical trials to assess the relevance of a longitudinal follow-up of intracellular concentrations and / or activity of calcineurin in the prevention of transplant rejection.The tools developed in this PhD work aimed, firstly, to better understand the variability of the pharmacological response in immunosuppressive therapy and, secondly, to be tools for understanding the drug mechanisms inside of the cell. The use of these tools should contribute to the decrease in the frequency of graft rejection and the overall improvement in the management of organ transplant patients.

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Malgré les progrès en matière de greffe de cellules souches hématopoïétique (GCSH), environ 40% des enfants atteints d’une leucémie aigüe lymphoblastique (LAL) réfractaire à la chimiothérapie ne peuvent être guéris. Notre laboratoire a démontré que l’effet précoce de greffe contre leucémie (GvL) est significativement augmenté par les cellules Natural Killer (NK) stimulées par des cellules plasmacytoïdes dendritiques (pDC). Une nouvelle thérapie cellulaire adoptive basée sur la stimulation des cellules NK par les pDC a été développée et son efficacité a été démontrée dans un modèle de souris humanisées. Des cellules hautement spécialisées appelées « Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing » (ThINKK), analogues des pDC, sont produites à partir de cellules souches hématopoïétiques de sang de cordon. Afin d’amener les ThINKK vers un usage clinique, ce projet avait comme objectif d’en compléter la caractérisation, d’investiguer leurs effets secondaires potentiels après transfert adoptif dans le contexte de transplantation hématopoïétique allogénique et d’évaluer l’impact d’un régime prophylactique immunosuppresseur sur l’axe ThINKK/cellules NK. L’identité cellulaire des ThINKK a été déterminée par cytométrie de flux et par analyse unicellulaire du transcriptome (scRNA-seq). Pour déterminer si la présence des ThINKK pourrait augmenter l’activation et la prolifération des cellules T allogéniques, nous avons utilisé des réactions lymphocytaires mixtes (MLR) dans lesquelles les cellules T et les ThINKK ont été cultivées en présence de cellules présentatrices d’antigènes. Un modèle murin de réaction de greffe contre l’hôte (xéno-GvHD) nous a permis de déterminer l’impact du transfert adoptif de ThINKK sur la GvHD in vivo. Finalement, nous avons testé l’effet d’immunosuppresseurs sur la cytotoxicité des cellules NK activées par ThINKK contre des cellules LAL. Nos résultats démontrent que les ThINKK n’expriment pas les marqueurs associés aux cellules présentatrices d’antigènes, mais expriment les marqueurs des cellules plasmacytoïdes dendritiques. L’analyse des résultats de scRNA-seq démontre la présence d’une sous-population cellulaire mineure exprimant le récepteur AXL, sans toutefois exprimer les autres marqueurs conventionnels des cellules présentatrices d’antigènes. Les ThINKK, incluant la sous-population AXL-positive, n’exacerbent pas l’activation ou la prolifération des cellules T allogéniques in vitro ou in vivo. Finalement, des cinq immunosuppresseurs testés, seules la cyclosporine A et de la méthylprednisolone diminuaient l’activation et la cytotoxicité des cellules NK induites par les ThINKK. Nos résultats suggèrent qu’une immunothérapie par transfert adoptif de ThINKK serait sécuritaire chez les patients ayant reçu une greffe allogénique. L’utilisation d’un régime prophylactique immunosuppresseur est également possible sans affecter l’efficacité de cette nouvelle immunothérapie post-transplantation. / The survival outcomes of children with relapsed acute lymphoblastic leukemia (ALL) remain dismal despite progress in hematopoietic stem cell transplantation. In the past, our team has demonstrated that the stimulation of Natural Killer (NK) cells with a subset of plasmacitoid dendritic cells (pDCs) called Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing (ThINKK) improved the early graft-versus-leukemia effect and controlled ALL development in humanized mice. ThINKK are expanded from cord blood hematopoietic stem cell progenitors for adoptive post-transplant immunotherapy. To translate these findings into the clinic, the main objectives of this project was to further characterize the ThINKK phenotype, to investigate the potential adverse effects of ThINKK in the context of allogeneic hematopoietic transplantation, and to evaluate the functional impact of the post-transplant prophylactic immunosuppressive regimen on the ThINKK/NK cell axis. The cellular identity of ThINKK was assessed using flow cytometry and single-cell RNA sequencing. To assess the potential exacerbation of T-cell activation and proliferation by ThINKK, allogeneic T cells and ThINKK were co-cultured with or without antigen-presenting cells in mixed lymphocyte reactions (MLR). We used a xenograft mouse model to evaluate the efficacy and potential side effects of an adoptive transfer of ThINKK on graft-versus-host reactions in vivo. Finally, we tested the effect of immunosuppressive drugs on ThINKK-induced NK cell cytotoxicity against ALL cells. We found that ThINKK cells did not express antigen-presenting cell markers but expressed pDCs lineage markers. Single-cell RNA sequencing analysis revealed the presence of a minor cell subset expressing the AXL receptor gene, but lacking expression of other conventional dendritic cell marker genes. Importantly, ThINKK including the AXL+ subset did not exacerbate allogeneic T-cell activation and proliferation in vitro and in vivo. Finally, out of the five immunosuppressive drugs tested, only cyclosporine A and methylprednisolone decreased ThINKK-induced NK cell activation and cytotoxicity. Our results support that ThINKK cell transfer immunotherapy could be safe in transplanted subjects even in allogeneic settings and that a prophylactic immunosuppressive regimen may be used without affecting the efficacy of this novel post-transplant immunotherapy.