En contrôlant le passage para- et transcellulaire des composés du sang vers le cerveau (et inversement), la barrière hémato-encéphalique (BHE) constitue la « gardienne » du compartiment cérébral. Bien que relativement connu dans son aspect physiologique, le phénotype BHE des cellules endothéliales des capillaires cérébraux (BCECs) reste mal compris au regard des mécanismes moléculaires qui gouvernent son établissement et son maintien. Dans cette optique, à l’aide du modèle in vitro de BHE développé au laboratoire (co-culture de BCECs bovines et de cellules gliales de rats), nous avons réalisé deux études protéomiques comparatives afin d’identifier les protéines cytoplasmiques potentiellement impliquées dans l’induction et le maintien de ce phénotype: d’une part une approche qualitative sans marquage (label free) et d’autre part une approche quantitative grâce à un marquage isotopique préalable des protéines (isotope-coded protein label, ICPL). Les deux approches, label free et ICPL se sont révélées complémentaires et ont permis, respectivement, l’identification de 447 et de 412 protéines (dont 290 quantifiées). Quatre protéines d’un intérêt particulier dans le domaine de la BHE (phosphatase alcaline tissu-non spécifique, TNAP ; protéine 1 possédant un domaine d’homologie à Eps15, EHD1 ; superoxyde dismutase, SODC et homologue 7 de la protéine de la maladie de Parkinson PARK7, DJ-1) ont fait l’objet de caractérisations biochimiques approfondies et ouvrent des pistes d’investigation sur des potentielles voies cellulaires induites par les cellules gliales et impliquées dans le phénotype BHE. / The blood-brain barrier (BBB) controls the para- and transcellular crossing of compounds from blood to brain (and inversely) and establishes the “gatekeepers” of the brain. The major part of therapeutic drugs developed to fight the brain diseases is deemed inefficient in vivo due to the presence of the BBB that they are unable to cross. Although relatively well known in its physiological aspect, the BBB phenotype of brain capillary endothelial cells (BCECs) remains largely under known and misunderstood in regards of the molecular mechanisms that govern its establishment and its maintenance. To this goal, using the in vitro BBB model developed in the laboratory (co-culture of bovine BCECs with rat glial cells), we performed two differential proteomic studies to identify the main cytoplasmic proteins involved in the establishment and maintenance of this phenotype: a qualitative label free approach and a quantitative isotope-coded protein labeling (ICPL) approach.The two different approaches, label free and ICPL, are complementary and led to the identification of 447 and 412 proteins, respectively. Four proteins of particular interest for BBB (tissue-non specific alkaline phosphatase, TNAP; Eps15 homology domain containing protein 1, EHD1; superoxide dismutase, SODC and Parkinson disease protein 7 homolog PARK7, DJ-1) have been more deeply studied and they open new discovery prospects related to cellular pathways induced by glial cells and involved in the BBB phenotype.

Les particules issues de la pollution sont responsables de millions de morts prématurées. Les nanoparticules (au diamètre inférieur à 100 nm) atteignent les alvéoles où elles rencontrent la barrière alvéolo-capillaire. Cette barrière est composée d'un épithélium alvéolaire et d'un endothélium, dos à dos contre une membrane ultrafine (environ 0.2 µM), soumis à une stimulation constante exercée par l'inflation cyclique des alvéoles et par le cisaillement dû à la circulation sanguine. Nous nous sommes appliqués à développer un modèle in vitro innovant de cette barrière alvéolo-capillaire afin d'observer les interactions des nanoparticules avec cette barrière. Dans un premier temps, nous avons développé un substrat micro-fabriqué qui reproduit les propriétés géométriques et physiques de la membrane alvéolo-capillaire. Sur cette membrane, nous avons mis en place une co-culture de cellules épithéliales alvéolaires (A549) et endothéliales (HUVEC). Grâce à une étude de microscopie confocale, nous avons observé le comportement de ce modèle en termes d'étanchéité et de fonctions biologiques. Finalement nous avons observé les interactions entre des nanoparticules de silice et notre modèle en termes de toxicité, d'internalisation et de translocation. Dans une seconde partie, nous avons développé une puce microfluidique à deux chambres qui permet de reproduire autour de notre modèle de co-culture le microenvironnement spécifique des alvéoles pulmonaires. Des études de conception mécanique et l'optimisation de méthodes de microfabrication nous ont permis de générer une puce réversible compatible avec de la culture à long-terme et de l'observation en live par microscopie confocale. Dans une troisième partie, nous avons commencé un travail préliminaire visant à intégrer des cellules pluripotentes induites différenciées dans notre modèle in vitro. Nous avons travaillé à optimiser deux protocoles de différentiation sur une lignée commerciale: vers un endothélium et vers un épithélium alvéolaire. Finalement, nous proposons ici un modèle in vitro offrant de nombreux avantages: une importante communication intercellulaire via leur co-culture sur une membrane ultrafine, une culture long-terme observable au quotidien, la reproduction des stimuli dynamiques de l'environnement alvéolo-capillaire in vivo et la possibilité d'effectuer des tests d'interaction et de translocation de nanoparticules. / Pollutions particles are responsible for millions of premature death. Nanoparticles (with a diameter below 100 nm) reach the alveolar sacs where they encounter the alveolar capillary barrier. This barrier is constituted of an alveolar epithelium and an endothelium back to back on an ultra-thin membrane (about 0.2 µm), submitted to constant stimuli due to cyclic alveolar inflation and blood flow shear stress. We focused here on developing an innovative in vitro model of the alveolar capillary barrier to study the interactions of the nanoparticles with this barrier. Firstly, we have developed a micro-engineered substrate reproducing the geometrical and physical properties of the alveolar capillary membrane. We implemented the co-culture of an alveolar epithelium (A549) and an endothelium (HUVEC) on this membrane. We used confocal microscopy to observe the behavior of our model regarding barrier integrity and specific phenotypes. Finally, we observed the interactions between Silica nanoparticles and our model in terms of toxicity, internalization and translocation. Secondly, we developed a two-chamber microfluidic chip reproducing the specific microenvironment of the alveoli around our co-culture model. Studies of mechanical design and fabrication processes optimization allowed for the generation of a reversible chip compatible with long-term culture and live observation with a confocal microscope. Thirdly, we launched preliminary experiments aiming at the integration of differentiated induced pluripotent stem cells in our in vitro model. We worked on optimizing two directed differentiation protocols: towards an endothelium and towards an alveolar epithelium.Finally, we present here an in vitro model with numerous features: a close-contact co-culture on an ultra-thin membrane enabling important intercellular communication, a long-term culture allowing for live monitoring, mimicking the in vivo dynamic stimuli of the alveolar capillary barrier microenvironment and the possibility for nanoparticles interaction and translocation studies.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est la structure essentielle au système nerveux central (SNC), localisée au sein des capillaires cérébraux. Elle est responsable du maintien de l’homéostasie cérébrale ainsi que de sa protection. En effet, les pathologies affectant le SNC sont souvent associées à une altération au niveau de la BHE. L’un des nombreux facteurs, pouvant altérer l’homéostasie du SNC, est l’hypoxie puisque le cerveau est le premier consommateur d’oxygène. De nombreuses études ont démontré qu’une hypoxie aigüe (modélisation de l’ischémie cérébrale transitoire ou l’AVC), altère la perméabilité de cette barrière. Cependant, certaines pathologies sont liées à une hypoxie intermittente, notamment les troubles respiratoires associés au sommeil, comme le syndrome d’apnées du sommeil. Cette hypoxie intermittente ne semble pas être sans conséquence sur la structure et la fonction du cerveau, car des études menées chez l’Homme ont démontré que ces patients souffraient de troubles cognitifs. L’enjeu dans l’étude de ces pathologies est d’avoir une meilleure compréhension des mécanismes amenant à l’altération de la BHE, afin de développer des stratégies thérapeutiques adéquates. Toutefois, peu d’études à ce jour se sont intéressées à l’impact de l’hypoxie intermittente sur la BHE en raison de la complexité du cerveau. De ce fait, les modèles in vitro de BHE semblent être des outils adéquats à l’étude de la BHE en conditions pathologiques. L’objectif de ce travail de thèse a été de mettre en place un modèle in vitro de BHE permettant l’étude de l’impact de stress hypoxiques répétés sur l’intégrité de cette barrière.Le modèle mis en place est un modèle de co-culture « contact » mettant en jeu des cellules endothéliales cérébrales immortalisées de souris et des astrocytes immortalisés de rat. En effet, de nombreuses études ont montré l’importance des interactions entre les astrocytes et les cellules endothéliales, dans la mise en place du phénotype de barrière de la BHE. Nous avons fait le choix de développer un modèle murin afin d’être en adéquation avec les études menées, chez le petit animal, au laboratoire. Ce modèle a été caractérisé en termes de résistance électrique transendothelial (TEER), de perméabilité membranaire, de jonctions serrées et de transporteurs d’efflux. Ce modèle répond aux critères attendus pour un modèle in vitro de BHE et est rapide à mettre en place.L’impact cellulaire de l’hypoxie intermittente est difficile à étudier in vitro en raison de la rapidité du phénomène. De ce fait, nous avons mis en place une méthode alternative d’induction de stress hypoxique par un agent chimique, l’hydralazine, qui soit reproductible, contrôlable et réversible, afin d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires induits au niveau de cette BHE. / The blood-brain barrier (BBB) is the essential structure of the central nervous system (CNS), located at the level of brain capillaries. The BBB is responsible for the maintenance of cerebral homeostasis and its protection. Indeed, diseases affecting the CNS are often related to a disorder at the BBB’s site. One of the several factors which can alter the homeostasis of the CNS, is hypoxia because the brain is one of the the first consumer of oxygen of the body. Several studies showed that acute hypoxia (mimic transient brain ischemia or stroke), could alter BBB permeability. However, some disorders are related to intermittent hypoxia, particularly sleep related breathing disorders, such as sleep apnea syndrome. This intermittent hypoxia does not seem to be innocent on the brain structure and function, since studies in humans have demonstrated that these patients suffer from cognitive disorders. The challenge in the study of such pathologies is represented by a better understanding of mechanisms leading to this alteration, in order to develop adequate therapeutic strategies. Nevertheless, few studies have focused, to date, on the impact of intermittent hypoxia on the BBB, due to the complexity of the brain structure in vivo. In this regard, in vitro BBB model appear to be suitable tools for the study of BBB in pathologies conditions. The aim of this thesis was to set up an in vitro BBB model suitable for the study of BBB’s integrity after repeated hypoxic stress exposure.

La compréhension du lien entre alimentation et santé est un challenge majeur pour les domaines des sciences de l'aliment et de la nutrition. L'effet d'un aliment sur la santé étant conditionné par son passage et sa déstructuration dans le tube digestif, explorer cette question implique donc nécessairement de progresser dans la compréhension du processus de digestion. L'œuf est un produit apprécié dans le monde entier et compte parmi les aliments les plus nutritifs pour l'Homme. La fraction blanc d'œuf, solution aqueuse de protéines, est un ovoproduit très utilisé par l'industrie alimentaire en raison de ses propriétés fonctionnelles et nutritionnelles. De plus, la possibilité de générer des structures d'aliment très différentes selon les modalités du traitement technologique, sans avoir à en modifier la composition, fait du blanc d'œuf un aliment modèle réaliste particulièrement intéressant. Cette étude a été menée dans l'objectif d'étudier l'impact des caractéristiques structurales de matrices protéiques agrégées et gélifiées sur leur déstructuration au cours de la digestion. Un modèle in vitro de digestion gastro-intestinale, permettant un suivi temporel, a été combiné avec un modèle in vivo (porcin), plus proche de la réalité physiologique et permettant un suivi spatio-temporel de la digestion. Dans le cas du blanc d'œuf, la structuration de la matrice protéique s'est avérée avoir une influence non seulement sur les aspects quantitatifs de la digestion comme le degré d'hydrolyse des protéines, mais également sur les aspects qualitatifs comme la nature des peptides libérés. De même in vivo, les niveaux de bioaccessibilité pourraient être impactés par les différences relatives aux caractéristiques structurales des matrices gélifiées. A l'échelle moléculaire, cette étude suggère ainsi que les changements structuraux induits par les traitements thermiques, variables selon les conditions du milieu, rendent accessibles aux enzymes digestives des zones variables des protéines. A l'échelle micro- et macroscopique, les caractéristiques structurales des gels impactent également le déroulement de la digestion. / Understanding the relationship between health and diet is a major challenge in Food Science and Nutrition. As the impact of a food product on health depends on its journey and breakdown in the gastrointestinal tract, exploring this question necessarily implies increasing our knowledge of the food digestion process. Eggs are popular worldwide and are among the most nutritious foods for humans. The egg white fraction, an aqueous protein solution, is an egg product widely used in the food industry because of its unique functional and nutritional properties. In addition, the ability to generate very different food structures depending on the technological process without modifying its composition, makes egg white a very interesting and realistic food model. The aim of the study was to investigate the impact of structural characteristics of aggregated and gelled protein matrices on their breakdown during digestion. An in vitro model of gastrointestinal digestion, enabling temporal tracking, was combined with an in vivo model (pig), closer to physiological reality and enabling spatio-temporal mapping of digestion. For egg white, the structural characteristics of the protein matrix were found to have an influence not only on the quantitative aspects of protein digestion such as the degree of hydrolysis, but also on the qualitative aspects such as the nature of the peptides released. Similarly, the in vivo bioaccessibility levels could be impacted by differences relating to the structural characteristics of the gelled matrices. At the molecular scale, this study suggests that the structural changes induced by heat treatments, depending on physicochemical conditions, render a number of protein regions accessible to digestive enzymes. At the micro- and macroscopic scale, the structural characteristics of the gels also impact the digestion process.

Dans le secteur du veau de boucherie, l'interdiction par l'Union Européenne en Janvier 2006 des antibiotiques utilisés comme facteurs de croissance (AFCs) a déclenché la recherche de nouveaux additifs alimentaires permettant de retrouver les performances de croissance des animux et de réduire l'incidence des pathologies gastro-intestinales. Afin de réaliser un screening à grande échelle de ces additifs, l'objectif de ces travaux était de mettre au point un système de fermentation continu modélisant in vitro l'environnement intestinal du veau de boucherie. Les principaux groupes bactériens cultivables et les paramètres majeurs de la composition biochimique du contenu jéjuno-iléal ont tout d'abord été caractérisés in vivo. Ensuite, un système de fermentation in vitro a été mis au point et son milieu nutritif optimisé. Trois milieux nutritifs testés ont conduit à une stabilisation des grand groupes bactériens dénombrés. Le milieu M3 a été choisi pour la suite des expériences en raison de sa composition très proche de celle du contenu jéjuno-iléal des veaux et parce qu'il a conduit à une faible variabilité inter-réplicats. Le modèle a ensuite été utilisé afin d'étudier l'impact, sur la microflore du veau de boucherie, d'un additif alimentaire : le carvacrol. Les résultats de ce premier essai se sont avérés difficilement exploitables car le pouvoir antioxydant du carvacrol en a faussé l'interprétation. Avec l'ajout d'un antioxydant plus fort que le carvacrol dans le milieu nutritif, l'impact du carvacrol sur la microflore devrait pouvoir être analysé. Même si des améliorations restent à effectuer, les premiers résultats sont très prometteurs. Après screening in vitro et choix de nouveaux additifs susceptibles de remplacer les AFCs, des essais in vivo devront être effectués pour valider l'intérêt des substances sélectionnées in vitro. En effet, la modélisation in vitro ne simule pas tous les phénomènes ayant lieu in vivo et reste un outil de "pré-screening" en amont.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) contrôle le passage des médicaments, en partie par la présence d’ATP Binding Cassette (ABC) transporteurs. Dans de nombreuses pathologies cérébrales, la BHE est altérée. Parmi elles, les hémorragies intracérébrales (HIC), qui sont un effet iatrogène des anticoagulants. Des analyses cliniques montrent que les patients sous Anticoagulants Oraux Directs (AODs) présentent moins d’HIC que les patients traités avec les anticoagulants de référence, les anti-vitamine K (AVK), sans que les mécanismes cellulaires soient élucidés. Une des différences entre les AODs et les AVK résident dans leur profil pharmacocinétique, effectivement, les AODs sont des substrats des ABC transporteurs contrairement aux AVKs. Au cours des HIC, la thrombine est activée et entraine une altération de la BHE par clivage et des récepteurs protease activated receptor (PAR). Les objectifs de ce travail de thèse ont été de mettre en place un modèle in vitro de BHE afin d’étudier les interactions des médicaments avec les ABC transporteurs. Ensuite, le modèle est utilisé pour étudier les interactions des AODs en condition pathologique. Le modèle développé est basé sur la lignée HBEC-5i, peu décrite dans la littérature. Les cellules ont été cultivées en monocouche sur insert avec milieu conditionné issu d’astrocytes humains. Le modèle permet l’étude de l’interaction de thérapeutiques avec des ABC transporteurs par des mesures d’efflux ratios. Le modèle a été validé par des études de transport de molécules pharmacologiques. Ensuite, nous avons comparé, sur notre modèle, les effets de l’exposition à la thrombine avec ou sans prétraitement d’anticoagulants (rivaroxaban, dabigatran, apixaban, warfarine et héparine). Les AODs limitent l’ouverture de la BHE induite par la thrombine contrairement aux autres anticoagulants. Nos résultats ont montré que l’altération de la BHE est médiée par le clivage du récepteur PAR-1 par la thrombine. Ce clivage n’est pas le même en fonction de la classe d’anticoagulants utilisée, les AODs minimisant ce clivage. L’ensemble de ce travail de thèse a permis de donner des premières explications cellulaires quant aux mécanismes d’ouverture de la BHE consécutifs aux HIC sous AODs. / The blood-brain barrier (BBB) controls the passage of drugs, in part through the expression of the ATP Binding Cassette (ABC) transporters. In many brain diseases, the BBB is altered. Among them, intracerebral haemorrhages (ICH), which are an iatrogenic effect of anticoagulants. Clinical analyses show that patients with Direct Oral Anticoagulants (DOACs) treatment have less HIC than patients treated with the reference anticoagulants, Vitamin K Antagonist (VKA), without understanding the cellular mechanisms. One of the differences between DOACs and VKA lies in their pharmacokinetic profile, indeed, DOACs are substrates of ABC transporters unlike VKA. During HIC, thrombin, is activated and causes alterations in the BBB by the cleavage of the protease activated receptor (PAR). The objectives of this thesis work were first to set up an in vitro model of the BBB in order to study the passage of drugs and their interactions with ABC transporters. In a second step, the model is used to study the interactions of DOACs in pathological conditions. The model developed is based on the HBEC-5i cell line seldom described in the literature. The cells were cultured in monolayer on insert with conditioned medium from human astrocytes. It allows the study of the interaction of therapeutics with ABC transporters by measuring efflux ratios. The model has been validated by transport studies of pharmacological molecules. In order to meet our second objective, we compared the effect of thrombin exposure with or without pretreatment with anticoagulants (rivaroxaban, dabigatran, apixaban, warfarin and heparin sodium) on our model. DOACs limit the BBB damage induced by the thrombin unlike other anticoagulants. Our results showed that alteration of the BBB is mediated by the cleavage of the PAR-1 receptor by thrombin. This cleavage is not the same depending on the class of anticoagulants used, DOACs minimizing this cleavage. All this thesis work made it possible to provide the first cellular explanations of the opening mechanisms of the BBB following HIC under DOACs.