Motivées par l'observation mondiale de l'augmentation de la morbidité et de la mortalité associées à des pathologies liées à l'obésité, dont la stéatose, les études pré-cliniques et cliniques s'intéressent à la recherche de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic de la stéatose. Actuellement, la stéatose est diagnostiquée et gradée par des analyses histologiques à partir d'une biopsie du foie. Dans l'intérêt du patient, et afin de permettre un suivi de la stéatose lors d'un régime ou d'un traitement, il est apparu important de se tourner vers des modalités de diagnostic moins invasives. Dans ce cadre, la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), non-invasive et non-ionisante, est une méthode de choix pour le diagnostic de la stéatose par la mesure de la fraction lipidique hépatique. De plus, à partir des informations observables sur un spectre de SRM acquis au niveau hépatique, il est possible d'envisager une quantification de la composition en acides gras (AG) des lipides hépatiques, potentiel biomarqueur pour le suivi d'une stéatose. Les travaux de cette thèse ont été réalisés à partir d'objets-tests, et dans le cadre d'études pré-cliniques (4,7 T) et cliniques (3,0 T). Une étude du protocole d'acquisition de spectres de SRM pour la quantification de la composition en AG des lipides a été réalisée, avec notamment un questionnement quant à la nécessité de l'utilisation d'un module de suppression du signal de l'eau. Un état de l'art des algorithmes de quantification de la composition en AG des lipides a été effectué, et des tests de validations de ces algorithmes ont été réalisés afin de déterminer le plus approprié à la problématique hépatique, dans nos conditions expérimentales. Enfin, toujours dans l'objectif de déterminer des nouveaux biomarqueurs de la stéatose, une méthode de mesure par SRM in vivo du T1 de l'eau et de la résonance majeure des lipides hépatiques (LOREEDE pour LOngitudinal RElaxation time Evaluation from Dynamic Equilibrium) a été développée, et validée au cours d'une étude préliminaire sur des objets-tests et in vivo sur modèles murins. / In recent years, there has been an unprecedented increase in the morbidity and mortality associated with diseases such as the steatosis, linked to obesity. In this context, pre-clinical and clinical studies are of interest in the search for new biomarkers allowing the diagnosis of steatosis. Currently, steatosis is diagnosed and graded by histological analyzes from a liver biopsy. On the other hand, it is advantageous to use non-invasive diagnostic modalities, especially in longitudinal studies. In this context, magnetic resonance spectroscopy (MRS), as a non-invasive and non-ionizing approach, is an attractive alternative method for the diagnosis of steatosis by measuring the hepatic fat fraction. Moreover, from the MRS spectrum acquired in the liver, it is possible to quantify the fatty acids (FA) composition of the hepatic lipids, which could be a potential biomarker for the follow-up of steatosis. The work of this thesis has been performed in vitro and in vivo, in the context of pre-clinical (4.7 T) and clinical (3.0 T) studies. An investigation of the optimal MRS acquisition protocol for the quantification of FA was carried out, with particular attention to the role of the water signal suppression module. Different quantification algorithms of the lipid composition were studied and validation of these algorithms was carried out in vitro and in vivo. Finally, still with the objective of determining new biomarkers of steatosis, a method (LOREEDE: LOngitudinal RElaxation time Evaluation from Dynamic Equilibrium) for the measurement in vivo of the T1 of the water resonance and the major lipid resonance, by MRS, was developped and validated in a preliminary study.

Ce manuscrit de thèse est dédié aux calculs quantiques de paramètres de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) de métaux de transition dans des composés inorganiques de l’état solide. Le manuscrit est divisé en cinq parties. La première partie présente les atouts de la spectroscopie RMN en tant que technique d’investigation de composés inorganiques de l’état solide. Dès lors que le noyau sondé est un métal de transition, l’expérience doit être complétée par des calculs quantiques afin d’interpréter au mieux les données expérimentales. La seconde partie du manuscrit est dédiée à la description de la RMN et des outils méthodologiques utilisés dans ce travail. Le troisième chapitre est dédié au calcul du déplacement chimique de l’isotope 95 du molybdène dans des clusters halogénés de formule [Mo6X14]2- (X = Cl, Br, I). Une attention particulière est donnée à l’influence des effets de solvatation sur le calcul. Le quatrième chapitre est dédié à l’étude des composés A6Re3Mo3S8(CN)5 (A = K, Cs) dont la structure cristallographique est basée sur un motif octaédrique hétéronucléaire Re3Mo3S8(CN)6. La résolution structurale par diffraction des rayons X sur monocristal n’ayant pas permis de résoudre le problème de la distribution des métaux de transition dans l’octaèdre, une étude spectroscopique in silico sur la base de calculs DFT moléculaires et périodiques a été entreprise. Dans le dernier chapitre, des composés hétéronucléaires de formule [Ln6-6xLn6xO(OH)8(NO3)6(H2O)12]2+ (Ln = Pr-Lu, Y) ont été étudiés du point de vue théorique afin de mieux comprendre les données spectroscopiques collectées. / This work is devoted to the calculations of nuclear magnetic resonance (NMR) parameters of transition metal nuclei in inorganic solid-state materials using first-principles calculations. The manuscript is divided in five chapters. The first one shows that NMR is an interesting spectroscopic method to gain some information on the properties of inorganic materials. As far as the probed nucleus is a transition metal, experiments must be completed with quantum chemical calculations in order to better interpret the spectroscopic data. The second chapter is devoted to the quantum chemical tools that are necessary to the understanding of this work are presented. The third chapter deals with the computations of 95Mo NMR parameters of [Mo6X14]2- (X = Cl, Br, I) octahedral clusters. A special attention is paid to the influence of solvation effects on the computed NMR parameters. The fourth chapter is devoted to the study of A6Re3Mo3S8(CN)5 (A = K, Cs) compounds. Their crystal structures are based on a heteronuclear octahedral motif Re3Mo3S8(CN)6. Since X-ray diffraction refinements did not solve the colouring problem in the octahedron, an in silico spectroscopic study has been carried out using molecular and periodic DFT calculations. The last chapter of this report deals with heteronuclear polyoxolanthanides that have been studied using first-principles calculations in order to better understand their 89Y NMR spectra.

Cette thèse présente la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or bi-fonctionnelles. Plusieurs voies de synthèse de nanoparticules d’or sphériques sont présentées afin d’obtenir des nanoparticules de 2 nm, 5 nm, 15 nm ou 35 nm de diamètre. La couronne de ligands peut être rendue bi-fonctionnelle par deux procédés : les synthèses bi-ligands ou les échanges de ligands. Dans les deux cas, la composition de la couronne de ligands est étudiée par résonance magnétique nucléaire et elle s’avère être systématiquement différente de la composition du milieu réactionnel, chaque ligand introduisant des interactions intermoléculaires particulières qui lui confèrent des propriétés de complexation propres vis-à-vis de la surface d’or. La ségrégation des ligands en surface est étudiée par nucléation hétérogène et régiosélective de silice et aboutit à la formation de nanostructures or/silice asymétriques, révélant une séparation de phase des ligands sous forme de patches dans certains cas. Enfin, une influence particulière des ligands aromatiques sur les propriétés optiques des nanoparticules d’or est observée, se traduisant par un fort décalage de la position de la bande plasmon de surface localisé vers les grandes longueurs d’onde. Une étude théorique montre l’influence de ces ligands sur les transitions interbandes de l’or au sein des nanoparticules. / This thesis shows the synthesis and the characterization of bi-functional gold nanoparticles. Several synthesis of spherical gold nanoparticles are presented in order to obtain nanoparticles with a diameter of 2 nm, 5 nm, 15 nm or 35 nm. The ligand shell can become bi-functional from two processes: bi-ligand synthesis or ligand exchange. In both cases, the composition of the ligand shell is studied by nuclear magnetic resonance and is shown to be systematically different from the reaction medium’s composition, each ligand introducing particular intermolecular interactions which provide it proper complexing abilities against the gold surface. The ligand segregation on the surface is studied thanks to regioselective heterogeneous nucleation of silica, leading to the formation of asymmetric gold/silica nanostructures, thus revealing a phase separation of the ligands in certain cases. Then, a particular influence of aromatic ligands on the optical properties of the gold nanoparticles is observed, showing a strong shift of the localized surface plasmon band to higher wavelengths. A theorical study shows the influence of this kind of ligands on the gold interband transitions in the nanoparticles.Keywords: gold nanoparticles, functionnalization, ligand exchange, segregation, gold/silica hybrid nanostructures, plasmonics, nuclear magnetic resonance.

Le but de la thèse était d'étudier la sensibilité de nouveaux biomarqueurs RMN visant à quantifier les changements pathologiques dans le muscle dystrophique. La dystrophie musculaire (DM) désigne un groupe hétérogène de maladies avec une atrophie musculaire progressive associée à un état de faiblesse. Elle est caractérisée par des degrés variables de nécrose, de régénération, de troubles de l'homéostasie ionique, d'inflammation chronique et finalement par le remplacement des muscles par du tissu fibro-graisseux. Mon objectif était d’évaluer la RMN du ²³Na et les techniques avancées de mesure du temps de relaxation transversal ¹H (T₂) en tant que des biomarqueurs sensibles et précoces. La RMN du ²³Na mesure les concentrations de sodium étroitement contrôlées et donne sa distribution dans le tissu. Cette information peut être utilisée pour évaluer l'homéostasie ionique et l'intégrité cellulaire. Cependant, la concentration in vivo en ²³Na est faible, la RMN du ²³Na souffre donc d'une faible sensibilité par rapport à ¹H. L’altération du T₂ ¹H du muscle, communément interprétée comme un indicateur de l'activité de la maladie, est liée à une variété d’événements non-spécifiques tels que l'œdème, l'inflammation ou la nécrose, qui précèdent le remplacement musculaire par la graisse. Des protocoles comprenant diverses méthodes de RMN du ²³Na et de ¹H T₂ ont été mis en œuvre pour évaluer les tissus musculaires squelettiques sains et dystrophiques sur des modèles animaux et sur patients. Ce travail fournit des preuves que la RMN du ²³Na pourrait offrir un biomarqueur sensible capable de surveiller l'altération spécifique du muscle dystrophique à un stade très précoce. / The aim of the thesis is to investigate the sensitivity of novel NMR outcome measures (OM) aiming to quantify pathological changes in the dystrophic muscle. Muscular dystrophy (MD) refers to a heterogeneous group of diseases with progressive muscle wasting and associated weakness characterized by variable degrees of necrosis, regeneration, ionic homeostasis disturbances, chronic inflammation, and, ultimately, resulting in the replacement of muscles by fibro-fatty tissue. My focus was on the evaluation of ²³Na NMR and advanced ¹H transverse relaxation time (T₂) techniques as early, sensitive OM. ²³Na NMR measures the tightly controlled sodium concentrations and distribution in skeletal muscle tissue. This biophysical information can be used to assess ion homeostasis and cell integrity. However, ²³Na NMR suffers from a low sensitivity and in vivo concentration compared to ¹H. Alterations in the muscle ¹H T₂, commonly interpreted as an indicator of disease activity, are linked to a variety of non-specific events like oedema, inflammation, or necrosis that precede the actual muscle replacement by fat. Protocols including different ²³Na NMR and ¹H T₂ methods were implemented to evaluate healthy and dystrophic skeletal muscle tissues of animal models and patients. This work provides evidence that ²³Na NMR could offer a sensitive outcome measure able to monitor specific alteration of the dystrophic muscle at a very early stage.

TCTP est une petite protéine globulaire (20~kDa) qui interagit avec de nombreux partenaires et qui est impliquée dans diverses fonctions cellulaires et physiologiques, avec un rôle bien documenté dans la réversion tumorale qui est un phénomène rare et spontané où une cellule cancereuse perd tout ou partie de son phénotype malin et retrouve des caractéristiques associées aux cellules bénignes telles que la sensibilité à l'apoptose. Dans les cellules cancéreuses, TCTP inhibe la dégradation de MDM2, diminuant ainsi les niveaux de p53 et favorisant le maintien et la progression du cancer. TCTP contient également un motif BH3-like connu pour réguler les membres de la famille Bcl-2 et elle interagit directement avec Bcl-xL et Mcl-1 pour renforcer leurs propriétés anti-apoptotiques. Dans la structure TCTP, le motif BH3-like n'est pas facilement accessible pour une interaction avec un partenaire. Conformément à son importance dans le maintien de la tumeur, TCTP est une cible pharmacologique validée dans le traitement du cancer et fait l’objet d’essais cliniques en cours avec une molécule d'abord connue comme anti-depresseur, la sertraline. Cependant, on en sait peu sur la structure de TCTP en complexe avec ses partenaires, ce qui entrave le développement de médicaments et ne permet pas de comprendre comment TCTP peut s'adapter à une telle variété de partenaires. Ainsi, nous avons étudié le mécanisme moléculaire par lequel TCTP s'associe à des protéines et à des ligands en utilisant diverses méthodes biophysiques (RMN, SAXS, CD, SEC, DSF...). Nous avons démontré que la protéine TCTP se lie à Bcl-xL et à Mcl-1 dans le sillon de liaison des motifs BH3. Dans les complexes, la région BH3-like est engagée dans l'interface intermoléculaire et la structure centrale de TCTP est déstabilisée dans un état de globule fondu (molten-globule). Nous avons en outre montré que seule une forme mineure pré-existante de TCTP, à savoir TCTP*, est compétente pour les interactions avec les partenaires Bcl-xL et Mcl-1. Dans TCTP*, la région BH3-like est détachée du domaine structuré et elle est accessible aux protéines Bcl-xL/Mcl-1 tandis qu'on retrouve un état globule fondu dans la partie globulaire de TCTP*. Nous avons également collecté des données d'interaction préliminaires entre TCTP et la sertraline, des ARN, la protéine YB-1 se liant à l'ARN et le domaine N-terminal de MDM2. Enfin, nous avons caractérisé TCTP phosphorylé (pTCTP) au résidu S46 en utilisant la Plk-1 car cette modification a un impact sur les interactions et est un marqueur de l'aggressivité tumorale. En résumé, ces travaux ont établi la versatilité de TCTP en terme de structure et ont montré que cette versatilité est indispensable pour exercer ses fonctions cellulaires. En conséquence, ceci devrait être pris en compte dans les stratégies de développement de nouvelles molécules thérapeutiques ciblant TCTP. / TCTP is a small (20~kDa) globular protein that interacts with many partners with consequences in various cellular and physiological functions, with well-documented roles in tumoral reversion program. Cells that undergo such program spontaneously loose their malignant phenotype and recover characteristics associated with benign cells, such as apoptosis. In cancer cells, TCTP inhibits MDM2 degradation, thus decreasing p53 levels and favoring tumor maintenance and progression. TCTP also contains a BH3-like motif known to regulate Bcl-2 family members and TCTP directly interacts with Bcl-xL and Mcl-1 to reinforce their pro-survival properties. In TCTP structure, the BH3-like motif is not readily accessible for interaction. Consistently with its importance in tumor maintenance, TCTP is a validated pharmacological target in cancer treatment with ongoing clinical trials using the TCTP-targeting antidepressant drug sertraline. However, little is known about TCTP structure in complex with partners, thus impeding the development of drugs and the understanding of how TCTP could adapt to its myriad of partners. Thus, we investigated the molecular mechanism by which TCTP associates with proteins and ligands using various biophysical methods (NMR, SAXS, CD, SEC, DSF...). We have demonstrated that full length TCTP binds to Bcl-xL and Mcl-1 in their BH3-binding groove. In the complexes, the TCTP BH3-like region is engaged in the intermolecular interface and the core TCTP structure is destabilized into a molten-globule (MG) state. We further showed that only a minor pre-existing form of TCTP, namely TCTP*, is competent for interactions with the Bcl-2 protein partners. In TCTP*, the BH3-like region is unpinned and accessible to Bcl-xL/Mcl-1 proteins and the core structure is also in MG state. We also collected preliminary interaction data between TCTP and sertraline, RNA, the RNA binding YB-1 protein and the MDM2 N-terminal domain. Finally, we characterized the Plk-1-mediated S46 phosphorylated TCTP (pTCTP), a marker of tumor aggressivity and its interaction properties. Overall, this work established the structural versatility of TCTP that is mandatory to exert its cellular functions and this versatility should be taken into account in drug-design strategies targeting TCTP.

Les membranes biologiques sont principalement composées d'une bicouche de phospholipides et de protéines isolant l'intérieur des cellules du cytoplasme. H est donc fondamental d'étudier la nature des interactions entre ces composants afin de bien comprendre la relation étroite qui existe entre la structure et le fonctionnement des membranes. Comme les membranes naturelles sont composées de plusieurs protéines et de plusieurs lipides, elles se prêtent plus difficilement à des études structurales par des techniques spectroscopiques. Notre approche consiste donc à étudier des membranes modèles composées de complexes de phospholipides fluorés avec des peptides, protéines ou drogues qui agissent sur les membranes. Cette méthode mise sur l'excellente sensibilité du ¹⁹F en résonance magnétique nucléaire (RMN) ainsi que sur son abondance naturelle de 100% et son absence presque complète des organismes vivants. Ce mémoire versera sur la synthèse de ces composés lipidiques fluorés ainsi que sur une étude préliminaire de leurs propriétés physiques dans des vésicules. Les résultats présentés ont été obtenus à l'aide d'analyses en spectroscopie RMN à l'état solide et en infrarouge à transformée de Fourier.

La famille des protéines THAP est caractérisée par la présence d'un motif protéique, le domaine THAP, conservé au cours de l'évolution et retrouvé dans une centaine de protéines chez l'homme et les organismes animaux modèles. La protéine THAP1 humaine est impliquée dans la régulation du cycle cellulaire dans la voie pRb/E2F et dans la prolifération cellulaire. Le domaine THAP de THAP1 est un motif de liaison à l'ADN de type C-X2-4-C-X35-50-C-X2-H, séquence-spécifique et dépendant du zinc. Nous avons déterminé la structure tridimensionnelle du domaine THAP de THAP1 par Résonance Magnétique Nucléaire en solution. Ce doigt de zinc atypique de ~ 80 résidus se distingue par la présence d'un long motif ΒΑΒ entre les deux paires de ligands de coordination au zinc C2CH. Nous avons étudié la liaison du domaine THAP de THAP1 à sa séquence ADN spécifiquement reconnue en déterminant une constante de dissociation spécifique par Résonance Plasmonique de Surface et en réalisant des expériences d'empreinte RMN de façon à identifier les résidus impliqués dans la liaison à l'ADN. La combinaison des données de variation de déplacement chimique avec des données de mutagénèse dirigée nous a permis de localiser l'interface de liaison à l'ADN du domaine, correspondant à une zone chargée positivement, et de construire un modèle d'interaction protéine-ADN rendant compte d'une reconnaissance originale.

Il est communément admis que les géopolymères sont des solutions potentielles comme alternative aux liants hydrauliques classiques. Les géopolymères sont produits à partir de réactifs non carbonés contrairement au ciment portland et nécessitent relativement peu d'énergie pour être élaborés. Ce sont des liants inorganiques issus de l'activation alcaline d'aluminosilicates. Afin de faire des géopolymères une alternative viable et industriellement intéressante, plusieurs verrous technologiques doivent être levés en particulier sur leur mise en œuvre et les mécanismes chimiques impliqués au très jeune âge. Les études précédentes sur les mécanismes de cette réaction de géopolymérisation montrent l'existence d'un mécanisme en trois phases (dissolution - réorganisation - polymérisation). Notre étude s'est portée sur les mécanismes impliqués dans le comportement à l'état frais et en prise de géopolymère modèle à base de métakaolin. Pour cela, nous avons développé une approche combinée entre les mesures rhéologiques et chimiques (RMN liquide) afin de répondre à la complexité de l'hétérogénéité chimique locale pendant la géopolymérisation. Dans les deux premières parties de la thèse, nous nous sommes intéressés à comprendre le développement des propriétés mécaniques du gâchage à la prise du géopolymère. Lors de mesures de suivi de module élastique au cours du temps, nous observons également trois phases, une première augmentation de module dès les premières centaines de secondes, un plateau caractéristique d'une période de latence puis une seconde augmentation de module après plusieurs heures. Dans un premier temps, nous sommes intéressés à la première augmentation de module. Il a été établi que l'origine de ce module était la formation d'un premier gel de rapport Si/Al < à 4.5 localisé au niveau des joints de grains de métakaolin. Dans un second temps, nous sommes focalisé sur la dernière augmentation de module dont l'origine est la formation d'un second gel dont la composition chimique est celle du produit final c'est-à-dire le géopolymère de rapport Si/Al ~2.Finalement, dans une troisième partie, nous avons mis évidence les principales différences qui existent entre les géopolymères et de ciment Portland d'un point de vue rhéologique. Ces matériaux se comportent comme des fluides newtoniens. Les interactions entre les particules sont dominées par les effets hydrodynamiques, qui sont principalement contrôlés par la viscosité élevée de la solution alcaline de silicate et non par la contribution des contacts directs entre les grains de métakaolin

Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.