La théorie des bifurcations est utilisée pour étudier certains aspects des systèmes dynamiques qui intervient lorsqu'un petit changement d'un paramètre physique produit un changement majeur dans l'organisation du système. Ces phénomènes ont lieu dans les systèmes physiques, chimiques, biologiques, écologiques, économiques et sociaux. Cette idée unificatrice a été appliquée pour modéliser et explorer à la fois tant les systèmes sociaux que les systèmes physiques. Dans la première partie de cette thèse, nous appliquons les outils de la physique statistique et de la théorie des bifurcations pour modéliser le problème des décisions binaires dans les sciences sociales. Nous avons mis au point un schéma permettant de prédire l’apparition de sauts extrêmes dans ces systèmes en se basant sur la notion de précurseurs, utilisés comme signal d'alerte d'apparition de ces événements catastrophiques. Nous avons également résolu un modèle mathématique d’effondrement social fondé sur une équation de "régression logistique" utilisée pour décrire la croissance d’une population et la façon dont celle-ci peut être influencée par des ressources limitées. Ce modèle présente des bifurcations sous-critiques et nous avons étudié sa relation avec le phénomène social du « sunk-cost effect » (effet de coût irrécupérable). Ce dernier phénomène explique l’influence des investissements passés sur les décisions présentes, et la combinaison de ces deux phénomènes est utilisé comme modèle pour expliquer la désintégration de certaines sociétés anciennes (basés sur des témoignages archéologiques). Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les systèmes macroscopiques décrits par des équations différentielles stochastiques multidimensionnelles ou, de manière équivalente, par les équations multidimensionnelles de Fokker-Planck. Afin de calculer la fonction de distribution de probabilité (PDF), nous avons introduit un nouveau schéma alternatif de calcul basé sur les intégrales de chemin (« Path Integral ») lié aux processus stochastiques. Les calculs basés sur les intégrales de chemin sont effectués sur des systèmes uni et bidimensionnels et successivement comparés avec certains modèles dont on connaît la solution pour confirmer la validité de notre méthode. Nous avons également étendu ce schéma pour estimer le temps d’activation moyen (« Mean Exit Time »), ce qui a donné lieu à une nouvelle expression de calcul pour les systèmes à dimension arbitraire. A` noter que pour le cas des systèmes dynamiques à deux dimensions, les calculs de la fonction de distribution de probabilité ainsi que du temps de sortie moyen ont validé le schéma des intégrales du chemin. Ça vaut la peine de souligner que la perspective de poursuivre cette ligne de recherche repose sur le fait que cette méthode est valable pour les « non gradient systems » assujettis à des bruits d'intensité arbitraires. Cela ouvre la possibilité d'analyser des situations plus complexes où, à l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode permettant de calculer les PDFs et/ou les METs. / Bifurcations in continuous dynamical systems, i.e., those described by ordinary differential equations, are found in a multitude of models such as those used to study phenomena related to physical, chemical, biological, ecological, economic and social systems. Using this concept as a unifying idea, in this thesis, we apply it to model and explore both Social as well as Physical systems. In the first part of this thesis we apply tools of statistical physics and bifurcation theory to model a problem of binary decision in Social Sciences. We find an scheme to predict the appearance of extreme jumps in these systems based on the notion of precursors which act as a kind of warning signal for the upcoming appearance of these catastrophic events. We also solve a mathematical model of social collapse based on a logistic re-growing equation used to model population grow and how limited resources change grow patterns. This model exhibits subcritical bifurcations and its relation to the social phenomenon of sunk-cost effect is studied. This last phenomenon explains how past investments affect current decisions and the combination of both phenomena is used as a model to explain the disintegration of some ancient societies, based on evidence from archeological records. In the second part of this thesis, we study macroscopic systems described by multidimensional stochastic differential equations or equivalently by their deterministic counterpart, the multidimensional FokkerPlanck equation. A new and alternative scheme of computation based on Path Integrals, related to stochastic processes is introduced in order to calculate the Probability Distribution Function. The computations based on this Path Integral scheme are performed on systems in one and two dimensions and contrasted to some soluble models completely validating this method. We also extended this scheme to the case of computation of Mean Exit Time, finding a new expression for each computation in systems in arbitrary dimensions. It is worth noting that in case of two-dimensional dynamical systems, the computations of both the probability distribution function as well as of the mean exit time validated the Path Integral scheme and the perspective for continuing this line of work are based on the fact that this method is valid for both arbitrary non gradient systems and noise intensities. This opens the possibility to explore new cases, for which no methods are known to obtain them.

L’infertilité représente un problème majeur de santé publique en concernant 10 à 15% des couples en âge de procréer. Un facteur masculin est responsable de l’infertilité du couple dans près de la moitié des cas. Pour environ 30% d'entre eux, l'étiologie reste inexpliquée. Le premier axe du travail a concerné l’étude moléculaire d’une cohorte de patients infertiles (azoospermie non-obstructive/cryptozoospermie ou désordre du développement sexuel ou DSD) pour lesquels les analyses du caryotype standard et/ou des microdélétions des régions AZF par PCR n’ont pas permis d’expliquer le phénotype. L'impact des variations de nombre de copies de l'ADN (CNV) détectées par l'hybridation génomique comparative sur puce à ADN est peu documenté. Un design personnalisé de puce à ADN de format 400K, pangénomique et enrichi sur un large panel de 445 gènes liés à l'infertilité et à un DSD a été développé. Cette puce a permis l’identification de 171 CNV d’intérêt. Ces résultats soulignent l’intérêt de ce design comme outil diagnostic dans le cadre du bilan de l’infertilité masculine. Le second axe du travail a été de modéliser l’infertilité masculine in vitro dans un contexte d’anomalie génétique. Des cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPS) ont été générées à partir d’érythroblastes de deux patients infertiles porteurs d’un remaniement chromosomique complexe ou d’un caryotype 46,XX-SRY négatif avec mutation du gène de l’AMH. Dans un deuxième temps, la fonctionnalité des lignées de cellules hiPS générées a été testée par différenciation in vitro en cellules germinales primordiales (CGP). Elles expriment les marqueurs clés du stade CGP dont SOX17, le déterminant germinal le plus précoce des CGP. Les perspectives de ce travail seront de poursuivre la différenciation germinale vers des stades plus matures et ainsi de pouvoir étudier le processus méiotique dans un contexte d’anomalie génétique. / Infertility represents a major public health problem and concerns 10 to 15% of couples in the general population. A male factor is responsible for the infertility of the couple in about half of all cases. In approximately 30% of them, the etiology remains unexplained.The first working axis concerned the molecular study of a cohort of infertile patients (nonobstructiveazoospermia/ cryptozoospermia and disorder of the sex development or DSD) for whom analyses of standard karyotype and/or microdeletions of AZF regions were not able to explain the phenotype. The impact of copy number variations of DNA (CNVs) detected by comparative genomic hybridization (CGH-array) is poorly documented. A custom design 400K micoarray, genome-wide and enriched on a wide panel of 445 genes linked with infertility and DSD has been achieved. This array allowed the identification of 171 CNVs of interest.These results underline the potential of this design for diagnosis of male infertility. The second objective of this work was the in vitro modelisation of male infertility in a context of genetic abnormality. For that purpose, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) were generated from erythroblasts by means of not integrative Sendaï virus, in two patients carrying genetic abnormalities (complex chromosomal rearrangement and 46,XX-SRY negative karyotype associated with AMH gene mutation). Secondly, functionality of hiPSCs generated was tested by germ cells in vitro differentiation. Primordial germ cell (PGC) stage was successfully obtained. Cells expressed key PGC markers such as SOX17. The perspectives of this work will be to continuethe germinal differentiation towards more mature stages and so to be able studying the meiotic process in a context of genetic abnormality.

Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) permettent la modélisation de processus avec, en oncologie, un intérêt potentiel pour la modélisation de syndromes de prédisposition au cancer liés à des mutations germinales d’oncogènes. Nous avons généré des lignées de CSPi à partir de patients atteints de néoplasies endocriniennes multiples de type 2 (NEM2), porteurs de mutations germinales du gène RET : RETC620R, RETC634Y et RETM918T. Nous avons généré une CSPi RETY634C, contrôle isogénique, par correction de la mutation RETC634Y via CRSPR/Cas9. Ces CSPi présentent tous les critères de pluripotence avec un caryotype normal et expriment Ret. L’étude histologique approfondie des tératomes a mis en évidence le développement de cellules C en leur sein et également de cellules neuroendocrines exprimant la Chromogranine A mais sans aspect d’hyperplasie des cellules C ou de carcinome médullaire de la thyroïde ni de tumeur neuroendocrine réminiscente du phénotype des NEM2. L’analyse comparative de l’expression des gènes de ces CSPi a mis en évidence, dès le stade de pluripotence, une activation du réseau transcriptionnel du gène EGR1 qui pourrait constituer un des mécanismes moléculaires responsables de la mise en place du phénotype des NEM2. La différenciation en cellules souches de la crête neurale (CSCN), cellules d’origine cibles des tumeurs développées dans le cadre des NEM2, en particulier le phéochromocytome, était efficace et reproductible pour toutes nos lignées. Nous avons mis en évidence l’activation d’un programme commun invasif au niveau des CSCN avec mutation RETC634Y et RETM918T ainsi qu’une forte dérégulation du réseau des intégrines entraînant une forte dérégulation de l’adhésion cellulaire. Ceci était confirmé par une augmentation des capacités de migration CSCN avec mutation de RET par rapport aux CSCN témoins. Ainsi, la génération de CSPi avec mutation de RET a permis d’identifier des voies de signalisation potentiellement impliquées dans la physiopathologie des NEM2 et constitue une première étape vers la modélisation des NEM2 in vitro. / Induced pluripotent stem cell (iPSC) offer major perspectives in disease modelling and, in the oncology field, can be used for modelling cancer predisposition syndromes. We generated IPSC lines from somatic cells of patients with multiple endocrine neoplasia type 2 (MEN2) who harboured germline mutations in the RET gene: RETC620R, RETC634Y et RETM918T. We have also generated an isogenic RETY634C iPSC control line by genome engineering using CRSPR/Cas9-mediated method to "correct” C634Y mutation. All iPSC lines exhibited all markers of pluripotency with a normal karyotype and expressed Ret. A thorough histological study of teratomas from these iPSC highlighted the development of C cells and Chromogranin A-expressing neuroendocrine cells within them but without C-cell hyperplasia, medullary thyroid carcinoma or neuroendocrine tumours reminiscent of MEN2 phenotype. Comparative gene expression analysis revealed an activation of the EGR1 transcriptional network, at the pluripotent stem cell stage which could be one of the molecular effector of the phenotype. Neural crest stem cell (NCSC), the cell of origin of some of the tumoral features of MEN2, could be differentiated in vitro from all our RET-mutated iPSC lines effectively. Gene expression analysis revealed an activation of cell invasion program in RETC634Y and RETM918T–mutated NCSC and a deregulation of integrin network causing a strong deregulation of cell adhesion which was confirmed with increased migration capabilities in vitro. Thus, the generation of the first RET-mutated iPSCs allowed the identification of signalling pathways potentially implicated in the pathophysiology of MEN2 and constitute a first step in modelling these tumours in vitro.

Le traitement de référence de la maladie de Parkinson (MP) reste l’utilisation du précurseurdirect de la dopamine: la L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-Dopa). Le traitement chroniquedes patients parkinsoniens à la L-Dopa induit, en revanche, systématiquement desmouvements involontaires anormaux que l’on qualifie de dyskinésies induites par la L-Dopa(DIL). L’étude de l’expression des dyskinésies s’est essentiellement focalisée sur lesdysfonctions neuronales engendrées dans les régions motrices des ganglions de la base et apermis de révéler une surexpression significative de gènes de réponse précoce (GRP) tels que: ΔFosB, ARC, Zif268 et FRA2 dans le striatum de rats dyskinétiques traités chroniquement à la L–Dopa. En revanche, plusieurs autres régions dopaminoceptives, probablement affectées par la dopamine exogène nouvellement synthétisée, ont été négligées alors qu’elles pourraient jouer un rôle clé dans l’expression des dyskinésies. Par conséquent, nous avons quantifié l’expression de ΔFosB, ARC, FRA2 et Zif268 dans l’ensemble du cerveau de rats dyskinétiques que nous avons comparée à des rats non-dyskinétiques. Cette approche nous a permis d’identifier 9 structures, localisées en dehors des ganglions de la base, présentant une surexpression d’au moins 3 des GRPs cités ci-dessus. Parmi ces structures, le domaine dorsolatéral du « bed nucleus of the stria terminalis » (dlBST) et l’habenula latérale (LHb) montrent une corrélation significative entre l’expression de ΔFosB et la sévérité des dyskinésies. Nous avons donc fait l’hypothèse que ces 2 structures pouvaient être impliquées dans l’expression des dyskinésies. Par conséquent, pour évaluer le rôle potentiel du dlBST et de la LHb dans les dyskinésies, nous avons inhibé l’activité électrique des neurones exprimant FosB/ΔFosB en utilisant la méthode d’inactivation sélective du Daun02/ß-galactosidase que nous avons précédemment validée dans une structure bien connue pour être impliquée dans les dyskinésies: le striatum. Nous avons démontré que l’inhibition de ces neurones, à la fois dans le dlBST et la LHb, diminuait la sévérité des dyskinésies sans affecter l’effet bénéfique de la L-Dopa chez les rats dyskinétiques. Nous avons ensuite pu confirmer l’implication du dlBST grâce au model de référence des dyskinésies: le macaque dyskinétique lésé au MPTP. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de montrer, pour la première fois, l’implication fonctionnelle de 2 structures externes aux ganglions de la base dans l’expression des dyskinésies, offrant de nouvelles perspectives thérapeutiques. / The gold standard treatment for Parkinson’s disease (PD) remains the dopamine precursor L- 3,4-dihydroxyphenylalanine (L-Dopa). Long-term L-Dopa treatment systematically leads to abnormal involuntary movements (AIMs) called L-Dopa-induced dyskinesia (LID). These manifestations first led to investigate the neuronal dysfunctions in the motor regions of thebasal ganglia and unravelled an overexpression of ΔFosB, ARC, Zif268 and FRA2 immediate-early genes (IEG) in the dopamine-depleted striatum of dyskinetic rats. However, other several dopaminoceptive structures, likely affected by the exogenously produced dopamine, have been neglected although they might play a key role in mediating LID. Hence, we assessed the expression of ΔFosB, ARC, FRA2 and Zif268 IEGs in the whole brain of dyskinetic rats compared to non-dyskinetic ones. Such approach shed light notably upon 9 structures located outside of the basal ganglia displaying an IEG overexpression. Among them, the dorsolateral bed nucleus of the stria terminalis (dlBST) and the lateralhabenula (LHb) displayed a significant correlation between ΔFosB expression and LID severity. We therefore postulated that these structures might play a role in LID manifestation. Therefore, to assess dlBST and LHb causal roles upon LID severity, we inhibited the electrical activity of FosB/ΔFosB-expressing neurons using the selective Daun02/β- galactosidase inactivation method that we previously validated in a well known structure involve in LID: the striatum. Interestingly, the inactivation of dlBST and LHb ΔfosBexpressing neurons alleviated LID severity and increased the beneficial effect of L-Dopa in dyskinetic rats. Remarkably, BST involvement in LID was confirmed in the gold standard model of LID, the dyskinetic MPTP-lesioned macaque. Altogether, our results highlight for the first time the functional involvement of 2 structures.

L'œsophage et la trachée proviennent du diverticule endodermique du tube de l'intestin antérieur au cours de l'embryogenèse. Des événements cellulaires et moléculaires bien régulés et organisés entraînent la séparation du tube de l'intestin antérieur en œsophage et trachée. Cette séparation est encore mal connue et la perturbation de ce processus se traduit par une anomalie congénitale sévère telle qu'une l’atrésie de l'œsophage avec ou sans fistule trachéo-œsophagienne (AO/FTO). L'AO/FTO est l'une des malformations congénitales gastro-intestinales les plus courantes affectant 1 naissance sur 3000. Cette malformation nécessite une intervention chirurgicale urgente à la naissance et est fréquemment associée à une morbidité à long terme. Les mécanismes sous-jacents au développement embryonnaire de l'AO/FTO sont mal compris. Les modèles animaux ont été largement utilisés pour comprendre les maladies humaines depuis des décennies et ont considérablement contribué à la compréhension du développement de l'œsophage. Cependant, des différences structurelles et morphologiques clés existent entre l'œsophage humain et animal, ce qui nécessite un modèle plus fiable pour comprendre le développement trachée-œsophagien. Les cellules souches pluripotentes induites par l'homme ont été un outil précieux pour comprendre l'organogenèse en imitant le développement et en déchiffrant les mécanismes qui conduisent à des maladies congénitales et acquises. Cette thèse se concentre donc sur l'utilisation de cellules souches pluripotentes induites (IPS) par des patients pour déchiffrer les mécanismes de signalisation impliqués dans le développement de l'œsophage et les maladies congénitales telles que l’OA/FTO. Il étudie également l'une des maladies œsophagiennes acquises possibles, comme l'œsophage de Barrett. Nous avons orienté la différenciation des IPS saines et dérivées de patients vers différents stades de développement, tels que l'endoderme définitif, l'intestin antérieur, l'épithélium œsophagien et trachéal. De plus, l'épithélium œsophagien a été développé davantage dans un environnement tridimensionnel sans matrice pour générer des organoïdes œsophagiens matures. À chaque étape de la progression du développement, des analyses d'immunofluorescence, de qPCR et de séquençage d'ARN ont été effectuées. Nos résultats suggèrent que l'expression des marqueurs endodermiques CXCR4, SOX17, et GATA4 était similaire dans les cellules différenciées des patients et des cellules saines. Cependant, au stade de l'intestin antérieur, nous avons observé une diminution significative de l'expression des gènes et des protéines du facteur transcriptionnel clé SOX2 dans les cellules dérivées du patient. De plus, en utilisant le séquençage d'ARN à molécule unique, nous avons observé que les gènes critiques GSTM1, et RAB37 impliqués dans la morphogenèse cellulaire et associés à l’OA/FTO étaient dérégulés au stade de l'intestin antérieur dans les cellules dérivées du patient. Nous avons également observé une augmentation significative de l'expression du facteur de transcription NKX2.1 habituellement exprimé uniquement dans les cellules trachéales, dans l'épithélium oesophagien dérivé du patient. NKX2.1 est maintenue dans les organoïdes oesophagiens matures même après 2 mois. Ensuite, nous voulions valider l'utilisation potentielle de nos organoïdes dérivés des IPS pour modéliser les maladies acquises de l'œsophage telles que l'œsophage de Barrett. Nous avons induit une métaplasie ou transformation épithéliale avec surexpression de BMP4 dans des organoïdes de l'œsophage sains et dérivés du patient sur une période d'un mois. Nos résultats préliminaires montrent que les organoïdes de l'œsophage dérivés des patients exprimaient des niveaux d'ARNm plus élevés de MUC5AC, un marqueur épithélial cylindrique par rapport au groupe sain. Cela suggère une plus grande sensibilité de l'organoïde de l'œsophage dérivé du patient aux changements epitheliales métaplasiques. En conclusion, nous avons développé les premiers organoïdes œsophagiens tridimensionnels matures sans matrice différenciés des patients OA/FTO et identifié une signature moléculaire unique dans les cellules dérivées du patient au cours de la différenciation dirigée de l'œsophage. De plus, sur la base des résultats préliminaires, nous avons pu confirmer l'incidence plus élevée de l'œsophage de Barrett chez les patients OA/FTO par rapport au groupe sain. Notre travail met donc en évidence l'importance de l'utilisation des IPS dérivées des patients pour modéliser les maladies œsophagiennes congénitales et acquises afin de fournir de nouvelles informations sur le développement des organes au cours de l'embryogenèse. / The esophagus and trachea originate from the endodermal diverticulum of the anterior foregut tube during embryogenesis. Well-regulated and organized cellular and molecular events result in the compartmentalization of the anterior foregut tube into the esophagus and trachea. This compartmentalization is still poorly understood and disruption in this process results in a severe congenital anomaly such as esophageal atresia with or without tracheoesophageal fistula (EA/TEF). EA/TEF is one of the most common gastrointestinal congenital defects affecting 1 in 3,000 births. This malformation requires urgent surgery at birth and is frequently associated with long-term morbidity. The mechanisms underlying the embryonic development of EA/TEF are poorly understood. Animal models have been widely used to understand human diseases for decades and have significantly contributed to the understanding of esophageal development. However, key structural and morphological differences exist between human and animal esophagus, thus necessitating a more reliable model to understand trachea-esophageal development. Human induced pluripotent stem cells (iPSC) have been a valuable tool to understand organogenesis by mimicking development and deciphering mechanisms that lead to congenital and acquired diseases. This thesis therefore focuses on the use of patient-derived induced pluripotent stem cells to decipher signaling mechanisms involved in esophageal development and congenital diseases such as EA/TEF. It also focuses on one of the possible acquired esophageal diseases, namely, Barrett’s esophagus. We directed the differentiation of healthy and patient-derived iPSCs toward different developmental stages, such as definitive endoderm, anterior foregut, esophageal and tracheal epithelium. Furthermore, the esophageal epithelium was matured further in a matrix free 3-dimensional environment to generate mature esophageal organoids. At each stage of development progression, immunofluorescence, qPCR, and RNA sequencing analysis were performed. Our findings suggest that the expression of endodermal markers CXCR4, SOX17, and GATA4, were similar in both patient and healthy differentiated cells. However, at the anterior foregut stage, we observed a significant decrease in the gene and protein expression of key transcription factor SOX2 in patient-derived cells. Furthermore, using nanopore RNA sequencing, we observed that critical genes GSTM1, and RAB7 involved in cellular morphogenesis and associated with EA/TEF to be dysregulated at the anterior foregut stage in patient-derived cells. We also observed a significant increase in the expression of transcription factor NKX2.1, usually expressed only in tracheal cells, in the patient-derived esophageal epithelium. NKX2.1 expression was maintained in matured esophageal organoids even after 2 months. Next, we wanted to validate the potential use of our PSC-derived organoids to model acquired esophagus diseases such as Barrett’s esophagus (BE). We induced epithelial metaplasia with BMP4 overexpression in healthy and patient-derived esophagus organoids over a 1-month period. Our preliminary results show that patient-derived esophagus organoids expressed higher mRNA levels of MUC5AC, an epithelial columnar marker compared with the healthy group. This suggests a higher susceptibility of patient-derived esophagus organoid to metaplastic changes. In conclusion, we developed the first matrix free mature 3-dimensional esophageal organoids differentiated from EA/TEF patient-derived and identified a unique molecular signature in patient derived cells during directed esophagus differentiation. Furthermore, based on the preliminary results, we could confirm the higher incidence of Barrett’s esophagus in EA/TEF patients compared with the healthy group. Our work therefore highlights the significance of using patient-derived iPSCs to model congenital and acquired esophageal diseases to yield new insights on organ development during embryogenesis. It lays the foundation for a personalized medical approach to other diseases and the ones affecting the whole gastrointestinal system in both children and adults.

La leucémie aigüe lymphoblastique de précurseurs des cellules B (pré-B LAL) est le cancer le plus fréquent chez l’enfant. La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (TCSH) est nécessaire dans environ 20 à 30 % des enfants ayant une pré-B LAL. Les rechutes après TCSH sont habituellement réfractaires aux thérapies actuelles, et par conséquent, il est important de développer et d’optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux cellules « cytokine-induced killer » (CIK). En effet, ces cellules ont été montrées comme hautement cytotoxique contre beaucoup de types de cancers. Cependant, leur activité cytotoxique contre les pré-B LAL n’est pas vraiment efficace. Par conséquent, nous avons étudié la possibilité de combiner l’immunothérapie des cellules CIK avec l’interféron alpha (IFN-α) afin d’optimiser l’activité lytique de ces cellules contre les cellules pré-B LAL. De plus, vu qu’il a été démontré que l’activité cytotoxique des cellules CIK provient de la fraction CD56+, plus particulièrement les cellules CD3+CD56+, nous avons décidé d’utiliser la fraction CD56+ (cellules CD56+) dans l’ensemble de nos expériences. Nous avons observé in vitro que les cellules CD56+ lysent mieux les lignées cellulaires pré-B LAL comparativement aux cellules CIK non purifiées. Aussi, leur activité cytotoxique peut être augmentée par le traitement avec l’IFN-α. Par ailleurs, nous avons démontré l’efficacité des cellules CD56+ traitées par l’IFN-α contre les lignées cellulaires pré- B LAL in vivo, dans le modèle de souris NOD/SCID/gamma c- (NSG). La survie des souris est significativement prolongée lorsqu’elles reçoivent les cellules pré-B LAL avec les cellules CD56+ traitées par l’IFN-α. Nous avons par la suite étudié le mécanisme d’action des cellules CD56+ contre les lignées cellulaires pré-B LAL. Nous avons observé que les cellules CD56+ provenant de sang de cordon sont plus efficaces que les cellules CD56+ provenant de sang I périphérique pour tuer les lignées cellulaires pré-B LAL. Nous avons également montré que les cellules CD56+ utilisent seulement la voie NKG2D ou bien les voies NKG2D et TRAIL selon la lignée cellulaire pré-B LAL cible et selon la provenance de la source des cellules CD56+. Par ailleurs, nous avons remarqué que les cellules CIK sont sensibles à l’apoptose par Fas, et que cette sensibilité influence leur activité cytotoxique contre les cellules tumorales. En conclusion, les cellules CD56+ sont cytotoxiques contre les lignées cellulaires pré-B LAL, et leur effet lytique est augmenté par l’IFN-α aussi bien in vitro qu’in vivo dans le modèle de souris NSG. Ces données précliniques sont encourageantes pour tester cette nouvelle approche d’immunothérapie dans le traitement contre la pré-B LAL. / Precursor B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) is the most common form of leukemia in children. Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is required in around 20 to 30% of children with a B-ALL. The relapses occuring post-HSCT are usually insensitive to current therapy. Therefore, it is important to develop and optimize a new therapeutic strategy. In this study, we were interested to study « cytokine-induced killer » (CIK) cells. These cells have been shown to be very cytotoxic against many types of tumor. However, their cytotoxic activity against B-ALL cells is not very efficient. Consequently, we have studied the effect of combining adoptive immunotherapy of CIK cells with the interferon alpha (IFN-α) to increase their lytic activity against B-ALL cells. In addition, in the literature, the cytotoxic activity of CIK cells has been shown to come from the CD56+ fraction (CD56+ CIK), in particular CD3+CD56+ cells. Therefore, we used the CD56+ fraction in all the experiments. We have observed in vitro that CD56+ CIK cells killed more efficiently B-ALL cell lines than did non-purified CIK cells. Also, their cytotoxic activity could be enhanced with IFN-α. Moreover, we have demonstrated the efficacy of IFN-α-treated-CD56+ CIK cells against B-ALL cell lines in vivo in the model of NOD/SCID/gamma c- (NSG) mice by showing that the survival of mice injected with B-ALL cell lines was significantly increased when they were injected with IFN-α-treated-CD56+ CIK cells. Subsequently, we have studied the lytic mechanism of CD56+ CIK cells against B-ALL cell lines. We have observed that CD56+ CIK cells from cord blood were more efficient than CD56+ CIK cells from peripheral blood to kill B-ALL cell lines. CD56+ CIK cells used only the NKG2D pathway or the both NKG2D and TRAIL pathways depending on the B-ALL cell line and the source of CIK cells. In addition, we showed that CIK cells were sensitive to Fas apoptosis. This sensitivity III influenced the cytotoxic activity of CIK cells against tumor cells. In conclusion, CD56+ CIK cells are cytotoxic against B-ALL cell lines, and their effect can be increased with IFN-α in vitro and in vivo. Taken together, our pre-clinical data are very interesting for testing the potential clinical utility of purified CD56+ CIK cells as an immunotherapeutic strategy for B- ALL patients.

La transplantation d’hépatocytes représente une alternative à la transplantation hépatique pour le traitement de certaines maladies métaboliques dont l’hypercholestérolémie familiale. Les cellules souches embryonnaires (ES) et les cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines représentent de nouvelles sources de cellules hépatiques. Nous avons mis au point une approche de différenciation des cellules souches humaines en cellules hépatiques et généré ainsi des cellules dérivées de cellules iPS de patients atteints d’hypercholestérolémie familiale. / Hepatocyte transplantation represents an alternative to liver for the treatment of metabolic diseases including familial hypercholesterolaemia. Embryonic stem cells (ES) and induced pluripotent stem cells (iPS) represent new sources of hepatic cells. We have developed an approach to differentiate human stem cells into hepatic cells and thus we have generated hepatic cells derived from iPS of familial hypercholesterolaemia patients.

La thérapie cellulaire pourrait représenter une alternative à la transplantation hépatique dans certaines pathologies comme les maladies métaboliques sévères. Toutefois, la pénurie de donneurs d’organes implique la nécessité de trouver de nouvelles sources de cellules hépatiques comme les cellules souches pluripotentes qui peuvent être amplifiées extensivement et différenciées en tout type cellulaire. Les cellules souches embryonnaires humaines (hESC) et les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC) générées à partir des cellules somatiques de patients puis différenciées en hépatocytes représentent une source potentielle d’hépatocytes. Ces cellules permettent en outre d’envisager la transplantation d’hépatocytes autologues génétiquement modifiés comme alternative à la transplantation hépatique pour le traitement de certaines maladies génétiques du foie. L’hypercholestérolémie familiale (HF) est une maladie autosomale dominante due à des mutations dans le gène codant le Récepteur aux Low Density Lipoproteins (RLDL) qui est à l’origine d’un taux élevé de cholestérol sanguin de patients HF. Les patients homozygotes doivent épurer leur sérum par LDL-aphérèse en moyenne deux fois par mois dès le plus jeune âge pour éviter les infarctus mortels survenant dès l’enfance. Les hépatocytes différenciées à partir des iPSC de patients et leur correction in vitro, permettent d'évaluer la faisabilité de la transplantation d'hépatocytes autologues génétiquement modifiés pour le traitement de l’hypercholestérolémie familiale.Au cours du développement du foie, des hépatocytes et des cholangiocytes, les deux types de cellules épithéliales hépatiques, dérivent de progéniteurs hépatiques bipotents (les hépatoblastes). Bien que les cholangiocytes formant les canaux biliaires intrahépatiques ne représentent qu'une petite fraction de la population cellulaire totale du foie (3%), ces cellules régulent activement la composition de la bile par réabsorption des acides biliaires, un processus qui est important dans des maladies choléstatiques du foie. Dans la première partie de cette étude nous avons mis au point une approche de différenciation des cellules souches pluripotentes (hESC et hiPSC) en cholangiocytes fonctionnels. Ces cellules serviront à la modélisation des maladies génétiques touchant les cholangiocytes formant des canaux biliaires. Dans la deuxième partie, nous avons généré des iPSC spécifiques de patients HF (HF-iPSC), différenciées en hépatocytes et corrigé le défaut phénotypique par transfert lentiviral de l’ADNc codant le LDLR dans les HF-iPSC. / Cell therapy can be an alternative to liver transplantation in some cases such as severe metabolic diseases. However, the shortage of organ donors implies the need to find new sources of liver cells such as hepatocytes derived from pluripotent stem cells that can be amplified and differentiated extensively into any cell type. Human embryonic stem cells (hESC) and human induced pluripotent stem cells (hiPSC) generated from somatic cells of patients and then differentiated into hepatocytes represent a potential source of transplantable hepatocytes. These cells now make it possible to consider the transplantation of genetically modified autologous hepatocytes as an alternative to liver transplantation for the treatment of genetic diseases of the liver.Familial hypercholesterolemia (FH) is an autosomal dominant disorder caused by mutations in the gene encoding the receptor for Low Density Lipoproteins (LDLR), which is the cause of high blood cholesterol in these patients. Homozygous patients should purify their serum LDL-apheresis on average twice a month starting at a young age to avoid fatal myocardial infarction occurring in childhood.Human hepatocytes differentiated from patient’s induced pluripotent stem cells (iPSCs) allow assessing the feasibility to transplant genetically modified autologous hepatocytes as treatment of familial hypercholesterolemia.During the liver development, hepatocytes and cholangiocytes, the two types of hepatic epithelial cells, derive from bipotent hepatic progenitors (hepatoblasts). Although cholangiocytes, forming intrahepatic bile ducts, represent a small fraction of the total liver cell population (3%), they actively regulate bile composition by secretion and reabsorption of bile acids, a process that is important in cholestatic liver diseases. In the first part of this study we developed an approach to differentiate pluripotent stem cells (hESC and hiPSC) into functional cholangiocytes. These cells could be used for the modeling of genetic biliary diseases. In the second part, we generated FH patient specific iPSCs (HF-iPSC), differentiated them into hepatocytes and tried to correct the disease phenotype by lentiviral introduction of LDLR cDNA cassette in HF-iPSC.

Les sections efficaces neutroniques des noyaux de courte durée de vie sont des données cruciales pour la physique fondamentale et appliquée dans des domaines tels que la physique des réacteurs ou l'astrophysique nucléaire. En général, l'extrême radioactivité de ces noyaux ne nous permet pas de procéder à des mesures induites par neutrons. Cependant, il existe une méthode de substitution (" surrogate " dans la littérature) qui permet de déterminer ces sections efficaces neutroniques par l'intermédiaire de réactions de transfert ou de réactions de diffusion inélastique. Son intérêt principal est de pouvoir utiliser des cibles moins radioactives et ainsi d'accéder à des sections efficaces neutroniques qui ne pourraient pas être mesurées directement. La méthode est basée sur l'hypothèse de formation d'un noyau composé et sur le fait que la désexcitation ne dépend essentiellement que de l'énergie d'excitation et du spin et parité de l'état composé peuplé. Toutefois, les distributions de moments angulaires et parités peuplés dans des réactions de transfert et celles induites par neutrons sont susceptibles d'être différentes. Ce travail fait l'état de l'art sur la méthode substitution et sa validité. En général, la méthode de substitution fonctionne très bien pour extraire des sections efficaces de fission. Par contre, la méthode de substitution dédiée à la capture radiative est mise à mal par la comparaison aux réactions induites par neutrons. Nous avons réalisé une expérience afin de déterminer les probabilités de désexcitation gamma du 176Lu et du 173Yb à partir des réactions de substitution 174Yb(3He,p)176Lu* et 174Yb(3He,alpha)173Yb*, respectivement, et nous les avons comparées avec les probabilités de capture radiative correspondantes aux réactions 175Lu(n,gamma) et 172Yb(n,gamma) qui sont bien connues. Cette expérience a permis de comprendre pourquoi, dans le cas de la désexcitation gamma, la méthode de substitution donne des écarts importants par rapport à la réaction neutronique correspondante. Ce travail dans la région de terres rares a permis d'évaluer dans quelle mesure la méthode de substitution peut s'appliquer pour extraire des probabilités de capture dans la région des actinides. Des expériences précédentes sur la fission ont aussi pu être réinterprétées. Ce travail apporte donc un éclairage nouveau sur la méthode de substitution.

L’ATP est bien connue pour son rôle de transporteur d'énergie à l’intérieur des cellules, mais en dehors de la cellule, elle agit en tant que molécule de signalisation extracellulaire. En se liant aux récepteurs purinergiques, l’ATP extracellulaire amorce la signalisation purinergique afin de réguler certains processus physiologiques et pathophysiologiques. Dans les poumons, l’ATP stimule la sécrétion de surfactant et promeut la clairance mucociliaire. Compte tenu du rôle critique de l’ATP extracellulaire dans les poumons, il est important de comprendre le mécanisme du relargage d’ATP cellulaire — la première étape de la signalisation purinergique. Parce que les forces mécaniques constituent le déclencheur principal du relargage d’ATP, cette thèse a pour but d’investiguer le(s) mécanisme(s) physiologique(s) et les sources cellulaires d’un tel relargage d’ATP mécanosensible. Cet ouvrage est divisé en trois parties : 1) Pour étudier les caractéristiques spatiales et temporelles du relargage d’ATP, j’ai développé une technique d’imagerie hautement sensible basée sur la bioluminescence de la luciférine-luciférase couplée avec un système de lentilles à grand champ de vision (WFOV, wide field of view) optimisant l’apport de lumière. Pour évaluer notre approche d’imagerie, j’ai soumis des cellules A549, dérivées d’un adénocarcinome pulmonaire humain, à un étirement ou un choc hypotonique de 50% pour déclencher un relargage d’ATP. J’ai démontré que notre technique nous permet de quantifier précisément la quantité et le taux (ou l’efflux) d’ATP s’échappant des cellules. Le WFOV constitue un outil essentiel utilisé dans les études décrites dans cette thèse pour déterminer le mécanisme et la source cellulaire du relargage d’ATP dans l’alvéole. 2) Afin d’examiner le mécanisme physiologique du relargage d’ATP induit par l’étirement dans les cellulaires alvéolaires primaires, j’ai déterminé les contributions individuelles des cellules alvéolaires de type 1 (AT1) en comparaison des cellules alvéolaires de type 2 (AT2). Pour ce faire, des cellules AT2 fraîchement isolées de poumons de rats ont été ensemencées sur une chambre flexible en silicone et cultivées jusqu’à sept jours, ce qui permettait aux cellules AT2 de se transdifférencier progressivement en cellules semblables aux cellules AT1. Le ratio des cellules alvéolaires (AT2:AT1), étant de 4:1 au jour 3, est devenu 1:4 au jour 7. La quantité d'ATP libérée diminuait avec le nombre décroissant de cellules AT2, les impliquant en tant que principale source pour le relargage d’ATP en réponse à un étirement. Alors que les modulateurs pharmacologiques des canaux d’ATP, carbenoxolone et probénécide, ne diminuaient pas la quantité d’ATP libérée, le BAPTA, un chélateur de calcium intracellulaire ([Ca2+]i), l’a significativement réduite. De même, ces trois modulateurs exercent des effets similaires sur les réponses calciques intracellulaires mesurées par le Fura-2, suggérant une connexion entre le relargage d’ATP et les niveaux de [Ca2+]i. 3) Pour explorer le rôle qu’ont les propriétés viscoélastiques de la membrane dans le relargage d’ATP mécanosensible, j’ai démontré qu’une déformation de 30% induisait un relargage d’ATP transitoire qui était accompagné d’une absorption d’iodure de propidium (PI, propidium iodide) chez des cellules AT2. Ceci est cohérent avec une rupture membranaire transitoire induite par une déformation, assez large pour le passage d’ATP et de PI. L’efflux d’ATP augmente aussi selon le taux de déformation, et la durée de déformation prolonge la demi-vie du relargage d’ATP. Donc, ces résultats fournissent des indices sur la manière dont l’étirement de la membrane viscoélastique peut mener au relargage d’ATP par un mécanisme alternatif impliquant une mécanoporation de la membrane cellulaire. Dans l’ensemble, ces résultats démontrent que le relargage d’ATP ne se produit pas à travers les canaux conduisant l’ATP mais plutôt par une mécanoporation transitoire de la membrane. D’autres études sur les dommages membranaires sont nécessaires pour mieux comprendre sa contribution dans le relargage d’ATP mécanosensible et les signaux de [Ca2+]i. De telles études élucideront la signalisation purinergique dans les organes qui sont constamment exposés à des contraintes physiques. Ceci pourrait suggérer des cibles/approches thérapeutiques pour moduler les impacts négatifs d’un relargage d’ATP excessif observés lors de certaines conditions pathologiques, telles que les lésions pulmonaires induites par la ventilation mécanique. / ATP is widely known to be an energy carrier within cells, but outside of the cell, it acts as an extracellular signaling molecule. Upon binding to purinergic receptors, extracellular ATP initiates the purinergic signaling to regulate certain physiological and pathophysiological processes. In the lungs, ATP stimulates surfactant secretion and promotes mucociliary clearance. Given the critical role of extracellular ATP in the lungs, it is important to understand the mechanism of cellular ATP release — the first step of purinergic signaling. Because mechanical forces constitute the primary trigger of ATP release, this thesis aims to investigate the physiological mechanism(s) and cellular sources of such mechanosensitive ATP release. This work is divided into three parts: 1) To study the spatial and temporal characteristics of ATP release, I developed a highly sensitive imaging technique based on luciferin-luciferase bioluminescence coupled with a custom-designed lens system, which combined a wide field of view (WFOV) and high light-gathering power. To evaluate our imaging approach, I subjected A549 cells, derived from human lung adenocarcinoma, to stretch or 50% hypotonic shock to trigger ATP release. I demonstrated that our technique allows us to precisely quantify the amount and the rate (or efflux) of ATP escaping from cells. The WFOV constitutes an essential tool used in the studies described in this thesis to determine the mechanism and cellular source of ATP release in the alveolus. 2) To examine the physiological mechanism of stretch-induced ATP release in primary alveolar cells, I determined the individual contributions of alveolar type 1 (AT1) in comparison with alveolar type 2 (AT2) cells. To this end, freshly isolated AT2 cells from rat lungs were seeded on a flexible silicone chamber and were cultured for up to seven days, which allowed AT2 cells to progressively transdifferentiate into AT1-like cells. The ratio of alveolar cells (AT2:AT1), being 4:1 on day 3, became 1:4 on day 7. The quantity of released ATP decreased with the decreasing numbers of AT2 cells, implicating them as the main source of ATP release in response to stretch. While pharmacological ATP channel modulators, carbenoxolone and probenecid, did not diminish the amount of ATP release, BAPTA, an intracellular calcium ([Ca2+]i) chelator, significantly reduced it. Likewise, these three modulators had similar effects on intracellular calcium responses measured by Fura-2, suggesting a connection between ATP release and [Ca2+]i levels. 3) To explore the role of membrane viscoelastic properties in mechanosensitive ATP release, I demonstrated that a 30% strain induced transient ATP release that was accompanied by uptake of propidium iodide (PI) in AT2 cells. This is consistent with a strain-induced transient membrane rupture, big enough for the passage of ATP and PI. ATP efflux also increases with strain rate, and hold time prolongs the half-life of ATP release. Thus, these results provide clues on how stretching of the viscoelastic membrane may lead to ATP release via an alternate mechanism involving transient mechanoporation of the cell membrane. Overall, these findings demonstrate that stretch-induced ATP release does not occur through ATP-conducting channels but rather a transient membrane mechanoporation. Further studies on membrane injury induced by strain are needed to better understand its contribution to mechanosensitive ATP release and [Ca2+]i signaling. Such studies will elucidate purinergic signaling in organs that are constantly exposed to physical stresses. This could suggest novel therapeutic targets/approach to modulate the negative impacts of excessive ATP release observed under certain pathological conditions, such as ventilator-induced lung injury.