La surdité est le déficit sensoriel le plus fréquent chez l'Homme et touche plus de 360 millions de personnes dans le monde. En France, un enfant sur 700 naît avec une surdité sévère ou profonde, et un enfant sur 1000 deviendra malentendant avant l'âge adulte. Environ 80% des cas de surdité neurosensorielle ont une cause génétique. La surdité peut être associée à des troubles de l'équilibre rendant difficile l'exécution de simples taches quotidiennes. La cause la plus fréquente de déficience auditive et vestibulaire, sont l'atteinte de, respectivement, la cochlée, organe sensoriel de l'audition, et du vestibule, organe sensoriel de l'équilibre, localisés dans l'oreille interne.Face à l'inexistence de traitement curatif, la thérapie génique semble être une alternative afin de traiter les patients atteints de surdités et/ou de troubles vestibulaires héréditaires. L'objectif de mon projet de thèse est de restaurer l'audition et l'équilibre dans des souris modèles des surdités et troubles vestibulaires humains (DFNB9, DFNB59, syndrome de Usher de type 1G et 3A), en utilisant la thérapie génique virale.Les résultats obtenus ont apporté une preuve de principe que le transfert intracochléaire de gènes thérapeutiques contenus dans un adénovirus associé in vivo, permet de restaurer la structure et la fonction des cellules ciliées sensorielles de l'oreille interne, au niveau de l'appareil mécano-sensitif et de la synapse. Ainsi, nous avons restauré de manière significative l'audition, et corriger complètement le trouble vestibulaire. Ce projet ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques pour des patients atteints de formes génétiques d'atteinte de l'oreille interne. / Hearing loss is one of the most common human sensory deficits affecting over 360 millions people worldwide. In France, over one child out of 700 suffers from profound deafness at birth, and 1/1000 will be affected by hearing impairment prior to adulthood. The early-onset forms of severe, nonsyndromic deafness are mostly genetic in origin. Deafness can be associated with vestibular impairments which can complicate daily simple tasks. In most cases, hearing and vestibular impairments are due to defects in, respectively, the cochlea, the hearing organ, and the vestibule, the balance organ.In front of the non-existence of curative treatment, gene transfer technology is an alternative therapeutic approach to rescue hereditary deafness and vestibular impairments. The aim of my project is the use of viral gene therapy to restore hearing and balance in mice established as model for human deafness (DFNB9, DFNB59, Usher syndrome type IG and 3A). Our results provide a proof-of-principle that in vivo intracochlear delivery of therapeutic genes using adeno-associated virus can restore the structure and the function of inner ear sensory hair cells, at the mecano-sensitive apparatus and at the synapse. Thus, we restore significantly the hearing, and completely the vestibular impairment. This project open the way to new methods for restoring hearing in patients with genetic forms of deafness.

La rétinite pigmentaire est une maladie héréditaire rétinienne menant à la cécité, et pour laquelle il n’existe aucun traitement. La cause la plus fréquente des formes autosomiques dominantes de la maladie est une mutation ponctuelle dans le gène de la rhodopsine (RHO) induisant la mort des photorécepteurs (PR). Pour éviter la dégénérescence des PR, la stratégie thérapeutique doit supprimer l’expression de la protéine mutante tout en restaurant celle de la protéine normale et ce à un niveau physiologique. Mon projet était de réparer le pré-ARNm RHO par la technologie SMaRT (trans-épissage (TE) médié par le splicéosome). Ceci nécessite d’introduire par transfert de gène, dans la cellule cible, un ARN exogène, appelé PTM pour molécule pre-ARNm de TE, pouvant induire un épissage en trans.Nous avons créé 20 PTM différents et obtenu un taux maximal de TE in vitro de 40% après co-transfection transitoire des constructions RHO et PTM dans les cellules HEK293T. Nous avons générés des lignées cellulaires d’expression stable de RHO normale ou mutée par transduction lentivirale. Alors que la RHO normale se localise à la membrane plasmique, la mutation induit la rétention cytoplasmique de la protéine. La transfection du PTM dans la lignée cellulaire de RHO mutée a induit du TE, capable de restaurer partiellement la localisation de la RHO réparée à la membrane.Nous avons alors testé le TE in vivo dans un modèle murin humanisé de rétinite pigmentaire. L’injection sous-rétinienne d’un AAV2/8-bRho-PTM a permis le TE in vivo, mais n’a pas suffi à prévenir la dégénérescence des PR observée par SD-OCT (technologie que nous avons améliorée au cours de ce projet). / Retinitis pigmentosa is an hereditary retinal dystrophy involving degeneration of photoreceptors leading to blindness and for which there is currently no treatment. The most frequent cause of autosomal dominant forms of the disease is a point mutation in the rhodopsin gene (RHO). Therapeutic strategy should both suppress mutant protein expression and restore that of the normal one to physiologic level to prevent photoreceptor degeneration. My PhD project was to repair RHO pre-mRNA by SMaRT (Spliceosome Mediated RNA Trans-splicing) technology. This implies to introduce by gene transfer into the target cell an exogenous RNA, called PTM for Pre-mRNA Trans-splicing Molecule. This one was able to promote a splice reaction in trans, leading to the replacement of the mutated exons. We designed 20 different PTM and obtained in vitro a maximum trans-splicing rate of 40% after transient co-transfection of PTM and RHO constructs in HEK293T cells. We then created WT or mutated RHO stable expression cell lines by lentiviral transduction. Mutation induced retention of the protein into the cytoplasm, while the WT RHO was localized to the plasma membrane. We observed that the PTM transfection in the mutated RHO cell line induced trans-splicing, which was able to partially restore localization to the plasma membrane of repaired RHO. We then tested trans-splicing in vivo in mRho+/- RHO P347S+ mice, a humanized heterozygous mouse model of retinitis pigmentosa. After subretinal injection of AAV2/8-bRho-PTM we observed that trans-splicing occurred in vivo. Unfortunately we did not observe by SD-OCT (a technology that we improve in this project) any rescue of the degenerative phenotype.

Parmi les nouvelles stratégies thérapeutiques, la thérapie génique contre le VIH connaît actuellement un regain d'intérêt. La description du premier cas de guérison avéré après greffe de cellules souches mutantes pour le corécepteur majeur du VIH (CCR5) a relancé l'intérêt de la communauté pour développer des stratégies de thérapies géniques ciblant CCR5. Durant ma thèse, j'ai développé une stratégie basée sur l'inhibition de l'entrée du virus dans les lymphocytes T CD4 humains. Nos gènes thérapeutiques comprennent un inhibiteur de fusion membranaire (peptide C46) et un inhibiteur d'expression de CCR5. L'expertise de l'équipe dans les modèles de souris humanisées m'a permis de valider l'intérêt pré-clinique de cette stratégie dans un modèle de transfert de lymphocytes T modifiés. J'ai pu montrer que les lymphocytes T modifiés possédaient un avantage sélectif massif in vivo comparé à des cellules non protégées, ainsi qu’une protection totale contre la délétion induite par le VIH. De plus, dans une autre étude, j'ai montré que la dynamique virale dans les modèles de souris humanisées par transfert de CSH est plus proche des patients. Cette étude nous montre qu'il n'est pas nécessaire d'invoquer la réponse immune, pour expliquer les profils de réplication virale observés dans la phase primaire de l'infection. Ce résultat suggère donc qu'une partie de la dynamique virale est dépendante du nombre de cellules à infecter et du nombre de virions disponibles. L'ensemble des résultats de ma thèse a permis (i) de faire progresser notre compréhension de la dynamique virale, et (ii) de valider la combinaison d'inhibiteurs d'entrée dans un vecteur lentiviral. / Among new therapeutic strategies to fight the infection, gene therapy targeting CCR5 will be an asset. Indeed, the first patient to be cured from the infection received hematopoietic progenitors deprived of CCR5. This finding has ignited a flurry of research on genetic means to decrease CCR5 from the cell surface.During my PhD, I developed a gene therapy strategy based on entry inhibition of HIV in CD4 T cells. Our therapeutic genes are a membrane fusion inhibitor (the C46 peptide) and a CCR5 expression inhibitor, based on a super-agonist ligand. The experience of the team in humanized mice models allowed the validation of the strategy in vivo in a model of gene-modified T cell transfer. I first showed that the combination of the transgenes was able to prevent HIV infection in vitro in a dose dependent manner. Most importantly, I then showed that this protection conferred modified T cells with a huge selective advantage in vivo. This advantage was associated with a complete protection of CD4 T cells from HIV-induced deletion. Moreover, in another study, I showed that the viral dynamics in mouse models humanized by transferring HSC is closer to patients. This study also teaches us that it is not necessary to invoke the immune response to HIV, to explain the profiles of viral replication observed early after infection. This result suggests that part of the viral dynamic is dependent on the target/virus ratio. Together, results collected during my PhD thesis provides new information on viral dynamic and establish the interest of combining two viral entry inhibitors for gene therapy of HIV infection.

Le mélanome métastatique reste à l’heure actuelle une pathologie dramatique avec une survie moyenne de 13 mois après diagnostic, démontrant l’échec des chimiothérapies. Ces travaux de thèse ont pour but de développer une stratégie alternative utilisant les siRNA (petits ARN interférents) encapsulés au sein de nanocapsules lipidiques (LNC) pour une injection intraveineuse. Les premiers travaux ont porté sur le développement et l’amélioration du procédé de formulation des LNC chargées en siRNA. Les résultats ont permis une encapsulation à hauteur de 35%, une stabilité prolongée supérieure à 3 mois et une efficacité d’extinction du gène cible dans les cellules de mélanome. La deuxième partie de la thèse s’est orientée sur les stratégies de ciblage du mélanome après administration systémique. Différentes modifications de surface des LNC à l’aide de polyéthylène glycol (PEG) et d’Affitins (peptide d’affinité) ont été mises au point. La biodistribution sur des animaux « sains » ou des animaux greffés en sous-cutanés (mélanome humain) a révélé des comportements distincts en fonction des recouvrements utilisés. Les formes pegylées ont montré une accumulation préférentielle au site tumoral en comparaison avec les formes non modifiées ou modifiées avec les Affitins. Dans une troisième partie, des études d’efficacité anti-tumorale ont été réalisées avec un siRNA ciblant la protéine Bcl-2 ou la sous unité alpha 1 de la pompe Na/K ATPase. Une réduction du volume tumoral de 25% est observée avec les LNC siRNA Bcl-2. Par ailleurs, l’association de nouvelles chimiothérapies, les ferrocifènes, et des siRNA Bcl-2, montrent grâce à leur co-encapsulation au sein des LNC, des effets prometteurs. Ces travaux démontrent ainsi la capacité des LNC à délivrer des siRNA par voie intraveineuse dans de nouvelles stratégies de ciblage du mélanome. / Metastatic melanoma represents the most aggressive form of skin cancer with a median survival around 13 months. The low efficacy of actual chemotherapy is explained by important resistance phenomenon. The objective of this work consists in developing a new alternative strategy based on siRNA (small interfering RNA) encapsulated into lipid nanocapsules (LNCs) for intravenous injection. Firstly, the experiments were focused on development and optimization of formulation process for the encapsulation of siRNA into LNCs. The result demonstrated an encapsulation efficiency evaluated at 35% by spectrophotometer analysis, an important stability at 4°C (for at less 3 month) and an efficient gene inhibition in melanoma cells. The second part of this work studied the melanoma targeting potential of surface modified LNCs after systemic injection. In this way, pegylation with different polymers and Affitin grafting (affinity peptide) was performed on siRNA LNCs. The biodistribution on healthy animals and subcutaneous melanoma tumor bearing mice revealed the distinct behavior of various modified LNCs. All pegylated LNCs showed a preferential accumulation in tumor site in comparison with non-modified or Affitins LNCs. In a third part, the anti-cancer efficacy was tested with siRNA targeting Bcl-2, an anti-apoptotic member, or Alpha 1 subunit of Na/K ATPase. A reduction of tumoral volume evaluated at 25% was observed for Bcl-2 siRNA LNC. Moreover, the association with new promising anticancerous drug, ferrocifens, and Bcl-2 siRNA co-encapsulated into LNCs evidenced promising effects. This work demonstrated the capacity of LNC to deliver siRNA into melanoma cells and tumor after systemic administration thank to new targeting strategies in melanoma

L'intérêt de l’utilisation des vecteurs viraux comme le Adeno-Associated Virus recombinant (rAAV) dans la recherche pour le traitement des maladies génétiques a conduit à une évolution rapide des méthodes de production d'AAV au cours des deux dernières décennies (Ayuso et al., 2010). Leur large biodisponibilité in vivo et leur efficacité à long terme dans les tissus postmitotiques en font de bons candidats pour de nombreuses applications de transfert de gènes. En plus, la spécificité du traitement peut être augmentée lorsque le sérotype correct est choisi pour cibler un tissu spécifique. Parmi les méthodes de production actuellement utilisées, la tri-transfection de cellules embryonnaires humaines rénales 293 (HEK293) reste la plus populaire pour l'échelle de recherche; Et la production de rAAV médiée par des baculovirus pour des échelles plus importantes. L'importance croissante des vecteurs viraux dans l'application pratique de la thérapie génique exige l'amélioration des processus de production, en particulier en ce qui concerne les rendements et la pureté du produit final. Mon travail au cours de ces quatre années a été axé sur deux points principaux: (1) améliorer les processus biotechnologiques employés dans la production de rAAV pour la recherche et les échelles d'étude préclinique et (2) tester in vitro et in vivo les applications pour le rAAV dans le l’édition de genome. L'édition de gènes médiée par des nucléases spécialement conçues offre de nouveaux espoirs pour le traitement de plusieurs maladies héréditaires monogéniques. Récemment découvert, le système CRISPR Cas9 (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) fournit des outils importants nécessaires pour corriger les mutations par homologie. Notre modèle canonique est la souris mdx, un modèle animal naturel de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). Les mutations DMD, qui conduisent à l'absence de protéine dystrophine, entraînent une myopathie progressive et fatale. Plusieurs stratégies, allant des stratégies pharmacologiques aux stratégies de saut-d’éxon, ont tenté de renverser le phénotype et ralentisser la progression de la maladie, mais les résultats ne sont pas encore satisfaisants. Ce nouvel et puissant outil d'édition de génome peut être vectorisé par rAAV. Les résultats de la première partie ont été publiés en 2015 et 2016 et seront présentés sous la forme d'articles et pour la deuxième partie, je présenterai les résultats préliminaires et les perspectives du travail qui se poursuivra dans le laboratoire. / The interest of recombinant Adeno-Associated Virus (rAAV) vectors for research and clinical purposes in the treatment of genetic diseases have led to the rapid evolution of methods for AAV production in the last two decades (Ayuso et al., 2010). Their broad in vivo biodistribution and long-term efficacy in postmitotic tissues make them good candidates for numerous gene transfer applications. In addition, the specificity of the treatment can be increased when the right serotype is chosen to target a specific tissue. Among the production methods currently in use, tri-transfection of human embryonic kidney 293 (HEK293) cells remains the most popular for research scale; and rAAV production mediated by baculoviruses for larger scales. The increasing importance of viral vectors in the practical application of gene therapy demands the improvement of production processes, especially when it concerns the yields and purity of the final product. My work during these four years was focused in two main points: (1) improve biotechnological processes employed in rAAV production for research and pre-clinical study scales and (2) test in vitro and in vivo the applications for rAAV in the field of genome editing. Gene-editing mediated by engineered nucleases offers new hopes for the treatment of several monogenic inherited diseases. Recently discovered, the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas9 system provides important tools needed to correct by homology-directed repair mutations. Our canonical model is the mdx mouse, a naturally occurring animal model of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). DMD mutations, which lead to the absence of the protein dystrophin, results in a progressive and fatal myopathy. Several strategies, from pharmacological to exon-skipping strategies, have attempt to revert the phenotype and slow down the disease progress, however results are not yet satisfactory. This new and powerful genome editing tool can be vectorized by rAAV. Results for the first part were published in 2015 and 2016 and will be presented in the form of articles and for the second part I will present preliminary results and perspectives for the work that will be continued in the lab.

La sélénoprotéine T (SelT) est une protéine thiorédoxine-like abondamment exprimée au cours du développement embryonnaire chez le rat, mais son expression tend à disparaître après la naissance, notamment dans le coeur, suggérant un rôle limité de la SelT à l’âge adulte. Néanmoins, nous avons pu montrer que la SelT est réexprimée au niveau cardiaque suite à une ligature de l’artère coronaire (LC), suggérant le rôle potentiellement protecteur de cette protéine au cours des pathologies cardiovasculaires. Le but de notre projet fut donc d’évaluer les effets cardiaques d’une thérapie par la SelT au cours de l’insuffisance cardiaque, moyennant soit une thérapie protéique, soit une thérapie génique visant à surexprimer la SelT au niveau cardiaque ou au niveau systémique. La supplémentation en SelT (15μg/kg/jour, minipompes ip) a permis d’améliorer significativement le débit cardiaque et la fraction de raccourcissement du VG, mais également d’améliorer les pressions télé-systoliques et télé-diastoliques du ventricule gauche ainsi que la perfusion coronaire. Ces changements sont associés à une diminution du stress oxydant cardiaque ainsi qu’à une répression des mécanismes inflammatoires cardiaques. L’ensemble de ces améliorations a été observé sans modification de la taille d’infarctus. En parallèle, nous avons pu montrer qu’une injection intraveineuse d’un rAAV9-SelT (1.1011vg) une semaine après la LC permettait de diminuer significativement la dilatation ventriculaire gauche 3 mois après la LC. De manière concomitante, la thérapie génique par la SelT améliore le débit cardiaque ainsi que la perfusion cardiaque. Ces changements sont associés à une amélioration de la compliance et de l’élastance cardiaque. Par ailleurs, l’injection intramusculaire d’un rAAV8-SelT suivant le même protocole que précédemment. Nous avons pu montrer que le traitement par cet AAV permettait de diminuer significativement la dilatation du VG et d’améliorer la fraction de raccourcissement. De plus, la thérapie génique a permis d’améliorer la perfusion cardiaque ainsi que la relaxation coronaire endothélium-dépendante. Nous avons également pu montrer que l’ensemble des effets de la SelT sont médiés par le résidu Sec, dès lors que la modification de ce résidu par une alanine, annihile totalement l’ensemble des effets positifs observés au cours de notre étude. Ainsi, nos résultats ont permis de montrer clairement que le rôle bénéfique d’un traitement par la SelT au cours de l’ICC, et ce, grâce à un mécanisme sélénocystéine-dépendant. La SelT semble donc être une cible thérapeutique prometteuse pour le traitement de cette pathologie. / Selenoprotein T (SelT) is a thioredoxin-like protein, which is abundantly but transiently expressed in the heart during the embryonic development, suggesting that SelT plays a limited role during adulthood. However, data from our laboratory show that cardiac SelT expression increases after myocardial infarction. This suggests that SelT may play a yet unrevealed role in cardiovascular diseases but SelT’s potential protective role is unknown. Thus, we sought to investigate the cardiac effects of a SelT-mediated therapy in chronic heart failure (CHF) using either a protein or gene therapy through either a protein supplementation, or rAAV encoding for different forms of SelT. SelT supplementation (15μg/kg/day, IP, administered for 1 month starting 7 days after MI) resulted in a restoration of cardiac output and LV fractional shortening (sham: 178,1±14,8; MI: 161,1±7,7; MI+SelT; 177,6 ±8,0 and sham: 44,5±5,1; MI: 17,1±0,8; MI+SelT: 25,6±2,4, respectively), in association with an improvement of LV end-diastolic and end-systolic pressures as well as LV tissue perfusion. These changes were associated with a lower oxidative status and with a decrease in inflammation pathways (-32,7% vs MI for oxidative stress and - 27,2% and - 31,4% for inflammation, measured by electron paramagnetic resonance and western blotting analyses of IL1ß and IL6 expressions, respectively). All these effects were observed at identical infarct sizes. In parallel, a single intravenous injection of rAAV9-SelT (1.1011 virus - genome copies) one week after MI resulted in an increased cardiac SelT expression 3 weeks after injection (+150%, p<0.05). This SelT - overexpression reduced HF-induced increase in left ventricular diameters in both systole and diastole (at 1 and 3 months post-MI). Simultaneously, SelT improved stroke volume and cardiac output, without change in heart rate or body weight. Moreover, cardiac perfusion was improved by rAAV9-SelT in both interventricular septum and in the border zone of the infarct. These changes were associated with an improvement in cardiac compliance and elastance parameters assessed by invasive pressure/volume curves (compliance: sham: 18.2 ±1.5; HF: 11.0±1.0; HF+rAAV9-SelT: 15.3±0.5 and elastance: sham: 1.3±0.2; HF: 2.8±0.2; HF+rAAV9-SelT: 1.4±0.2, respectively; p<0.05 vs. HF). The third part of this project consisted in a single intramuscular injection of rAAV8-SelT (1.1011 virus-genome copies, 7 days after CAL) of either the normal form (rAAV8-SelTSec), either the modified form in which the Sec residue is replaced by an Ala (rAAV8-SelTAla). rAAV8-SelTSec administration resulted in a significant increase in cardiac SelT levels as soon as 3 weeks post-administration. After 3 months, SelTSec reduced LV dilation and restored cardiac output. Simultaneously SelT improved both LV elastance and compliance. In contrast, administration of the rAAV8-SelTAla did not modify the CHF-related cardiac dysfunction, suggesting that the selenocysteine residue is essential to the normal protein function. Our results clearly show that increasing SelT to supra-normal levels reduces CHF-induced cardiac dysfunction through a selenium-dependent pathway. These results suggest that SelT might be a promising therapeutic option in the treatment of CHF.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie autosomale dominante causée par une expansion de la répétition CAG codant pour une expansion de la polyglutamine dans le premier exon du gène Huntingtine (HTT). Ce gène code pour une protéine ubiquitaire dont la mutation entraine de graves symptômes moteurs, psychiatriques et cognitifs, dus à la dégénérescence spécifique des neurones GABAergique épineux moyens du striatum. Nous proposons d'utiliser le trans-épissage pour développer un vecteur de thérapie génique qui réduira significativement voir éliminera l'expression de la protéine mutée tout en restaurant un niveau physiologique de HTT normale dans les cellules affectées par la mutation du gène Huntingtine. Cette technologie est basée sur le remplacement de l'exon muté par un exon sans mutation pendant l'étape de maturation de l'ARNm. Du fait du caractère dominant de la mutation,l'efficacité thérapeutique nécessitera une réaction de trans-épissage très efficace capable de convertir une portion significative de pre-ARNm HTT mutés en en ARNm HTT normaux. Nous avons donc développé un système rapporteur fluorescent permettant la détection des évènements de trans-épissage afin d’identifier les séquences les plus performantes parmi une centaine de molécules candidates. Nous avons validé notre stratégie de criblage basée sur la fluorescence et réalisé le criblage sur plusieurs introns HTT (3, 9 et 20) qui ont démontré des zones favorables au trans-épissage. Une méthode de quantification directe et absolue du taux de trans-épissage a également été validée pour déterminer très précisément le taux de correction. L’ensemble de ce travail a permis de contribuer à la mise en évidence de la faisabilité du trans-épissage dans le contexte de la MH. / Huntington’s disease (HD) is an autosomal dominant genetic disorder caused by the expansion of a CAG repeat encoding a polyglutamine tract in the first exon of the Huntingtin gene (HTT). This gene encode a ubiquitous protein in which mutation lead to severe motor, psychiatric and cognitive deficits and causes degeneration of specific neuronal populations, in particular the GABAergic medium spiny neurons of the striatum. We propose to use trans-splicing to develop a gene therapy vector that will significantly reduce or eliminate the expression of the mutant protein while restoring a physiological level of normal HTT in cells affected by the HD mutation. This technology is based on replacement of the mutated exon by a normal version during the mRNA maturation process. HTT mutation being dominant, therapeutic benefits necessitates a highly efficient trans-splicing reaction that would convert a significant proportion of mutant-HTT pre-mRNA into normal HTT mRNA. For this purpose, we developed a fluorescent reporter system enabling the detection of trans-splicing events in high content screening in order to identify the most potent trans-splicing sequences among hundreds of molecules. We validated our fluorescent screening strategy and implement trans-splicing screening on 3 HTT introns (3, 9 and 20), in which we demonstrated the presence of hotspot promoting trans-splicing reactions. A direct and absolute quantification method was also validated to accurately assess the correction rate. Overall, this work generated additional evidences of trans-splicing feasibility in HD.

Une stimulation β-adrénergique (β-AR) aigue, par exemple au cours d’un exercice physique, accroît le second messager AMPc dans les cardiomyocytes aboutissant à une cascade d’évènements permettant d’augmenter la fonction cardiaque. Une élévation chronique des taux de catécholamines est délétère puisqu’elle participe au remodelage pathologique du cœur et à la progression vers l’insuffisance cardiaque (IC). L'IC correspond à l'incapacité du cœur à répondre aux besoins hémodynamiques de l'organisme. Si la majorité des patients meurt de défaillance cardiaque, une part importante décède d'arythmies.Les phosphodiestérases (PDEs) sont des enzymes essentielles puisqu’elles permettent non seulement la terminaison des signaux AMPc en dégradant ce nucléotide cyclique en 5’AMP inactif mais aussi l’organisation spatiale de ces signaux dans des compartiments subcellulaires spécifiques. L'IC s'accompagne de profonds remaniements de la voie β-AR et l'expression des PDEs est modifiée en conditions pathologiques, perturbant ainsi la compartimentation intracellulaire de l’AMPc. Il a été notamment démontré que l’expression d’une isoforme de PDE particulière, la PDE4B, diminue dans l'hypertrophie cardiaque et que l’invalidation du gène codant pour celle-ci favorise les arythmies ventriculaires chez la souris lors d’une stimulation β-AR. À l’inverse, l'expression d'une autre enzyme, la PDE2A, est augmentée dans l’IC, chez l’homme et différents modèles animaux. Ceci constituerait un mécanisme de défense lors d'un stress cardiaque puisqu’il a été montré que sa surexpression atténue l’hypertrophie induite par la noradrénaline ou la phényléphrine et limite les arythmies chez la souris.L’objectif de mon travail était de tester l’hypothèse qu’une augmentation de l’activité des PDEs pourrait constituer une alternative aux traitements classiques de l’IC, pour limiter le remodelage hypertrophique, la progression vers l’IC et les arythmies associées. Pour cela, j’ai réalisé une thérapie génique dans des modèles murins d'IC grâce à des virus adéno-associé de type 9 (AAV9) codant pour la PDE4B ou la PDE2A. Mes résultats suggèrent que cette approche pourrait constituer une nouvelle stratégie thérapeutique prometteuse de l'IC en limitant le dysfonctionnement cardiaque, l’hypertrophie du ventricule gauche, et la survenue des arythmies ventriculaires mais seulement lorsque la PDE2A est surexprimée. / Acute stimulation of β-adrenergic receptors (β-ARs), for example during physical activity, leads to the synthesis of the second messenger cAMP in cardiomyocytes, which triggers a cascade of events leading to the increase of cardiac function. While acute β-AR stimulation is beneficial to the heart, chronic β-AR activation is detrimental because it promotes cardiac remodeling and ultimately leads to heart failure (HF). HF is defined by the heart's inability to overcome hemodynamic needs of the body. While the majority of patients die of worsening heart function, a significant proportion dies suddenly of cardiac arrhythmias.Phosphodiesterases (PDEs) are crucial enzymes since they allow not only to terminate cAMP signals by degrading this second messenger into inactive 5’AMP but permit their spatial organization in subcellular compartments. HF is accompanied by profound rearrangements of the β-AR pathway and the expression of PDEs is modified under pathological conditions, thus disrupting cAMP intracellular compartmentation. The expression of one of these enzymes, PDE4B, is decreased in cardiac hypertrophy and the invalidation of the gene encoding PDE4B promotes ventricular arrhythmias under β-AR stimulation in mice. Conversely, the expression of another enzyme, PDE2A, is up-regulated in human and animal models of HF which may constitute an important defense mechanism during cardiac stress since its overexpression attenuates hypertrophy induced by norepinephrine or phenylephrine and limits cardiac arrhythmias.The purpose of my work was to test the hypothesis that an increase of PDE activity could constitute an alternative to conventional HF treatments to limit cardiac remodeling, HF progression and associated arrhythmias. To do so, I performed a cardiac gene therapy in mouse models of HF using serotype 9 adeno-associated viruses (AAV9) encoding for PDE4B or PDE2A. My results suggest that this approach may be a promising new therapeutic strategy during HF by limiting cardiac dysfunction, left ventricular hypertrophy, and could protect ventricular arrhythmias only when PDE2A is overexpressed.

La thérapie génique est probablement une des approches la plus ambitieuse de l'histoire de l'humanité pour éliminer des maladies résistantes à tout autre traitement. Cependant, c'est une approche qui doit encore être développée afin d'obtenir un meilleur contrôle du processus de délivrance des médicaments et aussi de réduire les coûts. À cette fin, ce projet de thèse est axé sur l’optimisation et le contrôle de la délivrance d’oligonucléotides basée sur l'utilisation de nanobâtonnets d'or (Gold NanoRods, GNRs). De telles nanoparticules (40 nm de long et 10 nm de diamètre) sont internalisées par les cellules et grâce à leurs propriétés physiques extraordinaires permettent de délivrer les médicaments dans le cytoplasme de manière contrôlée. En effet, leur absorption très élevée dans le proche infrarouge du spectre électromagnétique permet de convertir l’énergie lumineuse en chaleur à l’intérieur et autour des nanobâtonnets, sans affecter la cellule. L’avantage d’une absorption dans l’infrarouge est qu’à cette longueur d’onde la lumière pénètre profondément dans les tissus humains (3 cm). Le contrôle de la température autour des nanoparticules permet la libération d'oligonucléotides par simple dénaturation du duplex à un instant donné.L’obtention de nanoparticules pouvant être considérées comme un « cargo » implique de remplir les conditions suivantes : stabilité de la forme colloïdale en milieu complexe, conservation des propriétés physiques et chimiques une fois administrées et possibilité d’immobiliser et de libérer le médicament de manière contrôlée.La première étape de mon projet a consisté à établir un protocole de synthèse de nanobâtonnets d’or afin d’obtenir une solution colloïdale mono-disperse et dont la bande d’absorption de plasmon longitudinal soit dans le proche infrarouge. L'étape suivante était d’optimiser un protocole de fonctionnalisation de la surface des GNRs. Le défi ici est associé à l'agrégation des GNRs lorsque le surfactant (CTAB) nécessaire au maintien des GNRs en solution est remplacé par des biomolécules (oligonucléotides). Cependant, après une étude systématique et détaillée, la déstabilisation de la couche protectrice de surfactant sur la surface métallique et l’ajout d’oligonucléotides ayant une fonction thiol à une des deux extrémités dans un rapport approprié ont permis une bio-fonctionnalisation efficace des nanobâtonnets. En conséquence, les nanoparticules fonctionnalisées, après redispersion dans la solution, ont les propriétés physico-chimiques nécessaires. En outre, l’immobilisation des oligonucléotides sur la surface des nanoparticules est spécifique (via la liaison thiol-Au) et permet leur transfert dans des solutions tamponnées ou dans des milieux complexes sans affecter leur stabilité. Après hybridation entre le simple brin immobilisé sur la surface des nanobâtonnets et le brin complémentaire, j’ai démontré que les oligonucléotides étaient stables et que le nombre de doubles brins qui se forment par hybridation peut être contrôlé. L’analyse des propriétés des nanomatériaux a constitué la seconde étape clé de mon travail, car elle revêt une importance cruciale pour la délivrance contrôlée de médicaments. J'ai décidé d'appliquer des méthodes uniquement optiques couvrant l'absorption des nanobâtonnets et l'analyse de la fluorescence des oligonucléotides marqués et des images TEM.Au cours du projet, il a donc été possible d’établir une nouvelle approche de fonctionnalisation et de créer un protocole de caractérisation efficace, axé sur les oligonucléotides. / Gene therapy is probably one of the most ambitious approaches in human history that aims to eliminate diseases, often those completely resistant to other treatments. However, this approach requires further development in order to obtain better control over the process of drug delivery and reduce costs. For this purpose, this project has focused on delivery of oligonucleotides using gold nanorods (GNRs). Such nanoparticles, (40 mm in length and 10 nm in diameter) can be internalized by cells and their extraordinary physical properties allow the delivery of drugs to the cytoplasm of cells in a controlled manner. Indeed, their strong absorption in the near-infrared part of the electromagnetic spectrum allows conversion of the energy of light into heat around the nanorods without affecting the cells. The advantage of absorption in the infrared is that at this wavelength the light can penetrate human tissues (3 cm). Control of the temperature around the nanoparticles allows the release of oligonucleotides by simple denaturation of the duplex at a given time.Obtaining nanoparticles that can be considered as a "cargo ship" implies fulfilling the following conditions: stability of the colloidal form in a complex medium, preservation of the physical and chemical properties once administered and the ability to immobilize and release the drug in a controlled manner.The first step of my project was to establish a nanorods synthesis protocol in order to obtain a monodisperse colloidal solution whose longitudinal absorption band is in the near infrared. The next step was to optimize the functionalisation protocol of the surface of the GNRs. The challenge here is associated with the aggregation of GNRs when the surfactant (CTAB) needed to maintain the GNRs in solution is replaced by biomolecules (oligonucleotides). However, after a systematic and detailed study, the destabilisation of the surfactant protective layer on the metal surface and the addition of oligonucleotides having a thiol function at one of the two extremities in a suitable ratio allowed an efficient bio-functionalisation of the nanoparticles. As a consequence, the functionalised nanoparticles, after redispersion in solution, possess the necessary physicochemical properties. In addition, the immobilisation of oligonucleotides on the surface of the nanoparticles is specific (via the thiol-Au bond) and allows their transfer into buffered solutions or in complex media without affecting their stability. After hybridisation between the single strand immobilized on the surface of the nanorods and the complementary strand, I demonstrated that the oligonucleotides were stable and that the number of double strands that are formed by hybridization can be controlled. The analysis of the properties of nanomaterials was the next important part of the work, as it is of crucial importance for the controlled delivery of drugs. I decided to apply only optical methods covering nanorods absorption and fluorescence analysis of labeled oligonucleotides and TEM images.In summary, during the project it was possible to establish a new functionalization approach and create a protocol for efficient characterization, focused on oligonucleotides. We expect that these observations will aid further research in the field of gene delivery based on gold nanoparticles.

La thérapie génique utilisant les vecteurs viraux est une des approches thérapeutiques possible pour le développement d’une thérapie pour les maladies génétiques mono-géniques dont l’ataxie de Friedreich (FRDA). Dans le but de vérifier l’efficacité des virus adéno-associés (AAV) à transférer la copie normale du transgène dans les tissus qu’ils infectent, nous avons insérer le gène codant pour la forme améliorée de la protéine fluorescente verte (eGFP) dans les AAV sérotype 9 (AAV9). Ces AAV recombinants (AAVr) ont été ensuite administrés aux souris femelles gestantes par voie intraveineuse et intra-péritonéale. Les résultats obtenus montrent que le transgène a été transféré à la fois dans les tissus des souris femelles ainsi que dans ceux des souriceaux. / Gene therapy using viral vectors is one of the therapeutic approaches possible for the development of genetic therapies for monogenic diseases including Friedriech's Ataxia (FRDA). In order to verify the effectiveness of adeno-associated virus (AAV) to transfer a transgene in the tissues they infect, we inserted the gene encoding the enhanced form of the green fluorescent protein (eGFP) in AAV Serotype 9 (AAV9). These recombinant AAV (rAAV) were then administered by intravenous and intraperitoneal to pregnant female mice. The results obtained show that the transgene was transferred in both in the female’ mouse tissues and in those of young mice.