Approaches to identifying and quantifying polycyclic aromatic hydrocarbons of molecular weight 302 in diesel particulates

Among the PAH class of compounds, high molecular weight PAH are now considered as relevant cancer inducers, but not all of them have the same biological activity. However, their analysis is difficult, mainly due to the presence of numerous isomers and due to their low volatility. Retention indices (Ri) for 13 dibenzopyrenes and homologues were determined by high-resolution capillary gas chromatography (GC) with four different stationary phases: a 5% phenyl-substituted methylpolysiloxane column (DB-5 ms), a 35% phenyl-substituted methylpolysiloxane column (BPX-35), a 50% phenyl-substituted methylpolysiloxane column (BPX-50), and a 35% trifluoropropylmethyl polysiloxane stationary phase (Rtx-200). Correlations for retention on each phase were investigated by using 8 independent molecular descriptors. Ri has been shown to be linearly correlated to PAH volume, polarisability alpha, Hückel-pi energy on the four examined columns. Ionisation potential Ip is a fourth variable which improves the regression model for DB-5ms, BPX-35, and BPX-50 column. Correlation coefficients ranging from r2 = 0.935 to r2 = 0.952 are then observed. Application of these indices to the identification and quantification of PAH with MW 302 in certified diesel particulate matter SRM 1650a is presented and discussed. [Authors]

Characterization of root apoplastic barriers in Arabidopsis thaliana

In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present. It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study. A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls. I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells. In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells. - Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères. Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire. Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire. J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle. Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.

Organisation structurale du noyau et de microtubules de cellules de mammifères observés par cryo-microscopie électronique de sections hydratées

RESUME L'architecture nucléaire ainsi que l'ultrastructure des microtubules ont été abondamment étudiées par des méthodes cytochimiques utilisant des échantillons fixés chimiquement, enrobés dans des résines ou fixés à basse température. Les échantillons fixés à basse température pouvant aussi avoir été substitués, déshydratés et enrobés dans des résines pour la plupart hydrophiles. Ici, nous avons étendu ces études en utilisant la microscopie électronique effectuée sur des sections hydratées (CEMOVIS) permettant d'observer les échantillons dans un état le plus proche de leur état natif. De plus, nous avons effectué de la tomographie électronique sur des sections hydratées (TOVIS) afin d'obtenir une vision tridimensionnelle de : 1) la périphérie du noyau et de la région périchromatinienne et 2) de la lumière des microtubules. Concernant l'architecture nucléaire Nos observations montrent que le nucléole et la chromatine condensée sont facilement visualisés grâce à la texture spécifique qu'ils arborent. Au contraire, la visualisation de domaines nucléaires importants et spécialement ceux qui contiennent des ribonucléoprotéines, est rendue difficile, à cause du faible contraste qui caractérise l'espace interchromatinien. Ceci est essentiellement dû à la quantité d'information présente dans le volume de la section qui semble être superposée, lorsque observée sur des micrographies en deux dimensions. La tomographie nous a permis de mieux visualiser les différentes régions du noyau. Les mottes de chromatine condensée sont décorées à leur périphérie (région périchromatinienne), par nombre de fibrilles et granules. Des tunnels d'espace interchromatinien sont occasionnellement observés en train de traverser des régions de chromatine condensée favorisant l'accès aux pores nucléaires. Enfin, nous avons pu, au niveau d'un pore unique, observer la plupart des structures caractéristiques du complexe de pore nucléaire. Concernant l'ultrastructure des microtubules: Nous avons démontré que la polarité d'un microtubule observé in situ en section transversale, par CEMOVIS, est directement déduite de l'observation de la chiralité de ses protofilaments. Cette chiralité, a été établie précédemment comme étant liée à la morphologie des sous unités de tubuline. La tomographie électronique effectuée sur des sections hydratées, nous a permis d'observer les microtubules dans leur contexte cellulaire avec une résolution suffisante pour visualiser des détails moléculaires, comme les monomères de tubuline. Ainsi, des molécules n'ayant pas encore été caractérisées, ont été observées dans la lumière des microtubules. Ces observations ont été effectuées autant sur des cellules observées en coupe par CEMOVIS que sur des cellules congelées dans leur totalité par immersion dans un bain d'éthane liquide. Enfin, nous avons montré que les microtubules étaient aussi de formidables objets, permettant une meilleure compréhension des artéfacts de coupe occasionnés lors de la préparation des échantillons par CEMOVIS. Les buts des études qui seront menées â la suite de ce travail seront de 1) essayer de localiser des domaines nucléaires spécifiques par des approches cytochimiques avant la congélation des cellules. 2) Appliquer des méthodes de moyennage afin d'obtenir un modèle tridimensionnel de la structure du complexe de pore nucléaire dans son contexte cellulaire. 3) Utiliser des approches biochimiques afin de déterminer la nature exacte des particules qui se trouvent dans la lumière des microtubules. ABSTRACT Nuclear architecture as well as microtubule ultrastructure have been extensively investigated by means of different methods of ultrastructural cytochemistry using chemically fixed and resin embedded samples or following cryofixation, cryosubstitution and embedding into various, especially partially hydrophilic resins. Here, we extend these studies using cryoelectron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) which allows one to observe the specimen as close as possible to its native state. Furthermore, we applied cryoelectron tomography of vitreous sections (TOVIS) in order to obtain athree-dimensional view of: 1) the nuclear periphery, and of the perichromatin region, and 2) the microtubule lumen. Concerning the nuclear architecture: Our observations show that nucleoli and condensed chromatin are well recognisable due to their specific texture. Conversely, the visualisation of other important nuclear domains, especially those containing ribonucleoproteins, is seriously hampered by a generally low contrast of the interchromatin region. This is mainly due to the plethora of information superposed in the volume of the section observed on two-dimensional micrographs. Cryoelectron tomography allowed us to better visualise nuclear regions. Condensed chromatin clumps are decorated on their periphery, the perichromatin region, by numerous fibrils and granules. Tunnels of interchromatin space can occasionally be found as crossing condensed chromatin regions, thus, allowing the access to nuclear pores. Finally, we were able to use TOVIS to directly distinguish most of the nuclear pore complex structures, at the level of a single pore. Concerning the microtubule ultrastructure: We have demonstrated that the polarity of across-sectioned microtubule observed in situ by CEMOVIS wás directly deducible from the visualisation of the tubulin protofiíaments' chirality. This chirality has been established before as related to the shape. of the tubulin subunits. Cryoelectron tomography allowed us to observe microtubules in their cellular context at a resolution sufficient to resolve molecular details such as their tubulin monomers. In this way, uncharacterized molecules were visualised in the microtubule lumen. These observations were made either on samples prepared by CEMOVIS or plunge freezing of whole cells. Finally, we have shown that microtubules are also relevant objects for the understanding of cutting artefacts, when performing CEMOVIS. The goals of our further studies will be to: 1) try to speciifically target different nuclear domains by cytochemical approaches in situ, prior to cryofixation. 2) Apply averaging methods in order to obtain a three-dimensional model of the nuclear pore complex at work, in its cellular context. 3) Use biochemical analysis combined in a second time to immunocytochemical approaches, to determine the exact nature of the microtubule's luminal particles.

An iterative Multiscale Finite-Volume algorithm converging to the exact solution

The multiscale finite volume (MsFV) method has been developed to efficiently solve large heterogeneous problems (elliptic or parabolic); it is usually employed for pressure equations and delivers conservative flux fields to be used in transport problems. The method essentially relies on the hypothesis that the (fine-scale) problem can be reasonably described by a set of local solutions coupled by a conservative global (coarse-scale) problem. In most cases, the boundary conditions assigned for the local problems are satisfactory and the approximate conservative fluxes provided by the method are accurate. In numerically challenging cases, however, a more accurate localization is required to obtain a good approximation of the fine-scale solution. In this paper we develop a procedure to iteratively improve the boundary conditions of the local problems. The algorithm relies on the data structure of the MsFV method and employs a Krylov-subspace projection method to obtain an unconditionally stable scheme and accelerate convergence. Two variants are considered: in the first, only the MsFV operator is used; in the second, the MsFV operator is combined in a two-step method with an operator derived from the problem solved to construct the conservative flux field. The resulting iterative MsFV algorithms allow arbitrary reduction of the solution error without compromising the construction of a conservative flux field, which is guaranteed at any iteration. Since it converges to the exact solution, the method can be regarded as a linear solver. In this context, the schemes proposed here can be viewed as preconditioned versions of the Generalized Minimal Residual method (GMRES), with a very peculiar characteristic that the residual on the coarse grid is zero at any iteration (thus conservative fluxes can be obtained).

Predicting spatial patterns of plant species richness: a comparison of direct macroecological and species stacking approaches

Aim This study compares the direct, macroecological approach (MEM) for modelling species richness (SR) with the more recent approach of stacking predictions from individual species distributions (S-SDM). We implemented both approaches on the same dataset and discuss their respective theoretical assumptions, strengths and drawbacks. We also tested how both approaches performed in reproducing observed patterns of SR along an elevational gradient.Location Two study areas in the Alps of Switzerland.Methods We implemented MEM by relating the species counts to environmental predictors with statistical models, assuming a Poisson distribution. S-SDM was implemented by modelling each species distribution individually and then stacking the obtained prediction maps in three different ways - summing binary predictions, summing random draws of binomial trials and summing predicted probabilities - to obtain a final species count.Results The direct MEM approach yields nearly unbiased predictions centred around the observed mean values, but with a lower correlation between predictions and observations, than that achieved by the S-SDM approaches. This method also cannot provide any information on species identity and, thus, community composition. It does, however, accurately reproduce the hump-shaped pattern of SR observed along the elevational gradient. The S-SDM approach summing binary maps can predict individual species and thus communities, but tends to overpredict SR. The two other S-SDM approaches the summed binomial trials based on predicted probabilities and summed predicted probabilities - do not overpredict richness, but they predict many competing end points of assembly or they lose the individual species predictions, respectively. Furthermore, all S-SDM approaches fail to appropriately reproduce the observed hump-shaped patterns of SR along the elevational gradient.Main conclusions Macroecological approach and S-SDM have complementary strengths. We suggest that both could be used in combination to obtain better SR predictions by following the suggestion of constraining S-SDM by MEM predictions.

Genomic and proteomic approaches towards an understanding of sleep.

The basic functions of sleep are still unclear, however, recent advances in genomics and proteomics have begun to contribute to our understanding of both normal and pathological sleep. In this review, we focus primarily on normal sleep and wake that have been studied in model organisms such as mice. Mice have been especially valuable since many different inbred strains exist that differ in sleep-related traits, and genes can be altered by either mutagenesis or targeted approaches. Advances in QTL (Quantitative Trait Loci) analysis have also helped to identify important sleep related genes, and several other QTLs have been mapped as a first step toward finding the genes that underlie basic sleep traits. In addition to more traditional genetic approaches, the abundance of different mRNAs across sleep and wake can now be studied and compared in different brain regions much more thoroughly using microarray methods. Progress at the protein level has been more difficult, but a few studies have begun to investigate changes in proteins during sleep and wake, and we present some of our own preliminary data in this area. A knowledge of which genes and proteins control or respond to changes in sleep will not only help answer fundamental questions, but may also suggest novel drug targets for improving multiple aspects of sleep and wake.

Targeting anticancer therapy : clinical and preclinical approaches

AbstractCancer treatment has shifted from cytotoxic and nonspecific chemotherapy to chronic treatment with targeted molecular therapies. These new classes of drugs directed against cancer-specific molecules and signaling pathways, act at a particular level of the tumor cell development. However, in both types of therapeutic approaches (standard cytotoxic chemotherapy and targeted signal transduction inhibitions), toxicity and side effects can occur. The aim of this thesis was to investigate various approaches to improve the activity and tolerability of cancer treatment, in a clinical setting, a) by molecular targeting through the use of tyrosine kinase inhibitors (TKIs), whose dosage can be adapted to each patient according to plasma levels, and, b) in a preclinical model, by tissue targeting with locoregional administration of cytotoxic chemotherapy to increase drug exposure in the target tissue while reducing systemic toxicity of the treatment.A comprehensive program for the Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of the new class of targeted anticancer drugs of TKIs in patient's blood has been therefore initiated comprising the setting up, validation and clinical application of a multiplex assay by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry of TKIs in plasma from cancer patients. Information on drugs exposure may be clinically useful for an optimal follow-up of patients' anticancer treatment, especially in case of less than optimal clinical response, occurrence of adverse drug reaction effects and the numerous risks of drug-drug interactions. In this context, better knowledge of the potential drug interactions between TKIs and widely prescribed co- medications is of critical importance for clinicians, to improve their daily care of cancer patients. For one of the first TKI imatinib, TDM interpretation is nowadays based on total plasma concentrations but, only the unbound (free) form is likely to enter cell to exert its pharmacological action. Pharmacokinetic analysis of the total and free plasma level of imatinib measured simultaneously in patients have allowed to refine and validate a population pharmacokinetic model integrating factors influencing in patients the exposure of pharmacological active species. The equation developed from this model may be used for extrapolating free imatinib plasma concentration based on the total plasma levels that are currently measured in TDM from patients. Finally, the specific influence of Pglycoprotein on the intracellular disposition of TKIs has been studies in cell systems using the siRNA silencing approach.Another approach to enhance the selectivity of anticancer treatment may be achieved by the loco-regional administration of a cytostatic agent to the target organ while sparing non- affected tissues. Isolated lung perfusion (ILP) was designed for the treatment of loco-regional malignancies of the lung but clinical results have been so far disappointing. It has been shown in a preclinical model in rats that ILP with the cytotoxic agent doxorubicin alone allows a high drug uptake in lung tissue, and a low systemic toxicity, but was characterized by a high spatial tissular heterogeneity in drug exposure and doxorubicin uptake in tumor was comparatively smaller than in normal lung tissue. Photodynamic therapy (PDT) is a new approach for the treatment of superficial tumors, and implies the application of a sensitizer activated by a laser light at a specific wavelength, that disrupts endothelial barrier of tumor vessels to increase locally the distribution of cytostatics into the tumor tissue. PDT pre-treatment before intravenous administration of liposomal doxorubicin was indeed shown to selectively increase drug uptake in tumors in a rat model of sarcoma tumors to the lung.RésuméLe traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et est passé de la chimiothérapie, cytotoxique et non spécifique, au traitement chronique des patients avec des thérapies moléculaires ciblées. Ces médicaments ont une action ciblée en interférant à un niveau spécifique du développement de la cellule tumorale. Dans les deux types d'approches thérapeutiques (chimiothérapie cytotoxique et traitements ciblés), on est confronté à la présence de toxicité et aux effets secondaires du traitement anticancéreux. Le but de cette thèse a donc été d'étudier diverses approches visant à améliorer l'efficacité et la tolérabilité du traitement anticancéreux, a) dans le cadre d'une recherche clinique, par le ciblage moléculaire grâce aux inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs) dont la posologie est adaptée à chaque patient, et b) dans un modèle préclinique, par le ciblage tissulaire grâce à l'administration locorégionale de chimiothérapie cytotoxique, afin d'augmenter l'exposition dans le tissu cible et de réduire la toxicité systémique du traitement.Un programme de recherche sur le suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) des inhibiteurs de tyrosine kinases a été ainsi mis en place et a impliqué le développement, la validation et l'application clinique d'une méthode multiplex par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem des TKIs chez les patients souffrant de cancer. L'information fournie par le TDM sur l'exposition des patients aux traitements ciblés est cliniquement utile et est susceptible d'optimiser la dose administrée, notamment dans les cas où la réponse clinique au traitement des patients est sous-optimale, en présence d'effets secondaires du traitement ciblé, ou lorsque des risques d'interactions médicamenteuses sont suspectés. Dans ce contexte, l'étude des interactions entre les TKIs et les co-médications couramment associées est utile pour les cliniciens en charge d'améliorer au jour le jour la prise en charge du traitement anticancéreux. Pour le premier TKI imatinib, l'interprétation TDM est actuellement basée sur la mesure des concentrations plasmatiques totales alors que seule la fraction libre (médicament non lié aux protéines plasmatiques circulantes) est susceptible de pénétrer dans la cellule pour exercer son action pharmacologique. L'analyse pharmacocinétique des taux plasmatiques totaux et libres d'imatinib mesurés simultanément chez les patients a permis d'affiner et de valider un modèle de pharmacocinétique de population qui intègre les facteurs influençant l'exposition à la fraction de médicament pharmacologiquement active. L'équation développée à partir de ce modèle permet d'extrapoler les concentrations libres d'imatinib à partir des concentrations plasmatiques totales qui sont actuellement mesurées lors du TDM des patients. Finalement, l'influence de la P-glycoprotéine sur la disposition cellulaire des TKIs a été étudiée dans un modèle cellulaire utilisant l'approche par la technologie du siRNA permettant de bloquer sélectivement l'expression du gène de cette protéine d'efflux des médicaments.Une autre approche pour augmenter la sélectivité du traitement anticancéreux consiste en une administration loco-régionale d'un agent cytostatique directement au sein de l'organe cible tout en préservant les tissus sains. La perfusion isolée du poumon (ILP) a été conçue pour le traitement loco-régional des cancers affectant les tissus pulmonaires mais les résultats cliniques ont été jusqu'à ce jour décevants. Dans des modèles précliniques chez le rat, il a pu être démontré que l'ILP avec la doxorubicine, un agent cytotoxique, administré seul, permet une exposition élevée au niveau du tissu pulmonaire, et une faible toxicité systémique. Toutefois, cette technique est caractérisée par une importante variabilité de la distribution dans les tissus pulmonaires et une pénétration du médicament au sein de la tumeur comparativement plus faible que dans les tissus sains.La thérapie photodynamique (PDT) est une nouvelle approche pour le traitement des tumeurs superficielles, qui consiste en l'application d'un agent sensibilisateur activé par une lumière laser de longueur d'onde spécifique, qui perturbe l'intégrité physiologique de la barrière endothéliale des vaisseaux alimentant la tumeur et permet d'augmenter localement la pénétration des agents cytostatiques.Nos études ont montré qu'un pré-traitement par PDT permet d'augmenter sélectivement l'absorption de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration i.v. de doxorubicine liposomale dans un modèle de sarcome de poumons de rongeurs.Résumé large publicDepuis une dizaine d'année, le traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et les patients qui devaient jusqu'alors subir des chimiothérapies, toxiques et non spécifiques, peuvent maintenant bénéficier de traitements chroniques avec des thérapies ciblées. Avec les deux types d'approches thérapeutiques, on reste cependant confronté à la toxicité et aux effets secondaires du traitement.Le but de cette thèse a été d'étudier chez les patients et dans des modèles précliniques les diverses approches visant à améliorer l'activité et la tolérance des traitements à travers un meilleur ciblage de la thérapie anticancéreuse. Cet effort de recherche nous a conduits à nous intéresser à l'optimisation du traitement par les inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs), une nouvelle génération d'agents anticancéreux ciblés agissant sélectivement sur les cellules tumorales, en particulier chez les patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeurs stromales gastro-intestinales. L'activité clinique ainsi que la toxicité de ces TKIs paraissent dépendre non pas de la dose de médicament administrée, mais de la quantité de médicaments circulant dans le sang auxquelles les tumeurs cancéreuses sont exposées et qui varient beaucoup d'un patient à l'autre. A cet effet, nous avons développé une méthode par chromatographie couplée à la spectrométrie de masse pour mesurer chez les patients les taux de médicaments de la classe des TKIs dans la perspective de piloter le traitement par une approche de suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM). Le TDM repose sur la mesure de la quantité de médicament dans le sang d'un patient dans le but d'adapter individuellement la posologie la plus appropriée: des quantités insuffisantes de médicament dans le sang peuvent conduire à un échec thérapeutique alors qu'un taux sanguin excessif peut entraîner des manifestations toxiques.Dans une seconde partie préclinique, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de la chimiothérapie loco-régionale dans un modèle de sarcome du poumon chez le rat, afin d'augmenter l'exposition dans la tumeur tout en réduisant la toxicité dans les tissus non affectés.La perfusion isolée du poumon (ILP) permet d'administrer un médicament anticancéreux cytotoxique comme la doxorubicine, sélectivement au niveau le tissu pulmonaire où sont généralement localisées les métastases de sarcome. L'administration par ILP de doxorubicine, toxique pour le coeur, a permis une forte accumulation des médicaments dans le poumon, tout en épargnant le coeur. Il a été malheureusement constaté que la doxorubicine ne pénètre que faiblement dans la tumeur sarcomateuse, témoignant des réponses cliniques décevantes observées avec cette approche en clinique. Nous avons ainsi étudié l'impact sur la pénétration tumorale de l'association d'une chimiothérapie cytotoxique avec la thérapie photodynamique (PDT) qui consiste en l'irradiation spécifique du tissu-cible cancéreux, après l'administration d'un agent photosensibilisateur. Dans ce modèle animal, nous avons observé qu'un traitement par PDT permet effectivement d'augmenter de façon sélective l'accumulation de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration intraveineuse de médicament.

Molecular genetics of rare hereditary diseases via genome-wide and integrated approaches

ABSTRACTThe Online Mendelian Inheritance in Man database (OMIM) reports about 3000 Mendelian diseases of known causal gene and about 2000 that remain to be mapped. These cases are often difficult to solve because of the rareness of the disease, the structure of the family (too big or too small) or the heterogeneity of the phenotype. The goal of this thesis is to explore the current genetic tools, before the advent of ultra high throughput sequencing, and integrate them in the attempt to map the genes behind the four studied cases. In this framework we have studied a small family with a recessive disease, a modifier gene for the penetrance of a dominant mutation, a large extended family with a cardiac phenotype and clinical and/or allelic heterogeneity and we have molecularly analyzed a balanced chromosomal translocation.RESUMELa base de données des maladies à transmission mendélienne, Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), contient environ 3000 affections à caractère mendélien pour lesquelles le gène responsable est connu et environ 2000 qui restent à élucider.Les cas restant à résoudre sont souvent difficiles soit par le caractère intrinsèquement rare de ces maladies soit à cause de difficultés structurelles (famille trop petite ou trop étendue) ou hétérogénéité du phénotype ou génétique. Cette thèse s'inscrit avant l'arrivée des nouveaux outils de séquençage à haut débit. Son but est d'explorer les outils génétiques actuels, et de les intégrer pour trouver les gènes impliqués dans quatre cas représentant chacun une situation génétique différente : nous avons étudié une famille de quatre individus avec une transmission récessive, recherché un gène modificateur de la pénétrance de mutations dominantes, étudié une famille étendue présentant un phénotype cardiaque cliniquement et/ou allèliquement hétérogène et nous avons fait l'analyse moléculaire d'une translocation chromosomique balancée.

Inversion of crosshole seismic data in heterogenous environments : Comparison of waveform and ray-based approaches

High-resolution tomographic imaging of the shallow subsurface is becoming increasingly important for a wide range of environmental, hydrological and engineering applications. Because of their superior resolution power, their sensitivity to pertinent petrophysical parameters, and their far reaching complementarities, both seismic and georadar crosshole imaging are of particular importance. To date, corresponding approaches have largely relied on asymptotic, ray-based approaches, which only account for a very small part of the observed wavefields, inherently suffer from a limited resolution, and in complex environments may prove to be inadequate. These problems can potentially be alleviated through waveform inversion. We have developed an acoustic waveform inversion approach for crosshole seismic data whose kernel is based on a finite-difference time-domain (FDTD) solution of the 2-D acoustic wave equations. This algorithm is tested on and applied to synthetic data from seismic velocity models of increasing complexity and realism and the results are compared to those obtained using state-of-the-art ray-based traveltime tomography. Regardless of the heterogeneity of the underlying models, the waveform inversion approach has the potential of reliably resolving both the geometry and the acoustic properties of features of the size of less than half a dominant wavelength. Our results do, however, also indicate that, within their inherent resolution limits, ray-based approaches provide an effective and efficient means to obtain satisfactory tomographic reconstructions of the seismic velocity structure in the presence of mild to moderate heterogeneity and in absence of strong scattering. Conversely, the excess effort of waveform inversion provides the greatest benefits for the most heterogeneous, and arguably most realistic, environments where multiple scattering effects tend to be prevalent and ray-based methods lose most of their effectiveness.

Hierarchical analyses of genetic differentiation in a hybrid zone of Sorex araneus (Insectivora : Soricidae)

Microsatellites are used to unravel the fine-scale genetic structure of a hybrid zone between chromosome races Valais and Cordon of the common shrew (Sorex araneus) located in the French Alps. A total of 269 individuals collected between 1992 and 1995 was typed for seven microsatellite loci. A modified version of the classical multiple correspondence analysis is carried out. This analysis clearly shows the dichotomy between the two races. Several approaches are used to study genetic structuring. Gene flow is clearly reduced between these chromosome races and is estimated at one migrant every two generations using X-statistics and one migrant per generation using F-statistics. Hierarchical F- and R-statistics are compared and their efficiency to detect inter- and intraracial patterns of divergence is discussed. Within-race genetic structuring is significant, but remains weak. F-ST displays similar values on both sides of the hybrid zone, although no environmental barriers are found on the Cordon side, whereas the Valais side is divided by several mountain rivers. We introduce the exact G-test to microsatellite data which proved to be a powerful test to detect genetic differentiation within as well as among races. The genetic background of karyotypic hybrids was compared with the genetic background of pure parental forms using a CRT-MCA. Our results indicate that, without knowledge of the karyotypes, we would not have been able to distinguish these hybrids from karyotypically pure samples.

Highly parallel genetic approaches in Mendelian and complex diseases

The recent advance in high-throughput sequencing and genotyping protocols allows rapid investigation of Mendelian and complex diseases on a scale not previously been possible. In my thesis research I took advantage of these modern techniques to study retinitis pigmentosa (RP), a rare inherited disease characterized by progressive loss of photoreceptors and leading to blindness; and hypertension, a common condition affecting 30% of the adult population. Firstly, I compared the performance of different next generation sequencing (NGS) platforms in the sequencing of the RP-linked gene PRPF31. The gene contained a mutation in an intronic repetitive element, which presented difficulties for both classic sequencing methods and NGS. We showed that all NGS platforms are powerful tools to identify rare and common DNA variants, also in case of more complex sequences. Moreover, we evaluated the features of different NGS platforms that are important in re-sequencing projects. The main focus of my thesis was then to investigate the involvement of pre-mRNA splicing factors in autosomal dominant RP (adRP). I screened 5 candidate genes in a large cohort of patients by using long-range PCR as enrichment step, followed by NGS. We tested two different approaches: in one, all target PCRs from all patients were pooled and sequenced as a single DNA library; in the other, PCRs from each patient were separated within the pool by DNA barcodes. The first solution was more cost-effective, while the second one allowed obtaining faster and more accurate results, but overall they both proved to be effective strategies for gene screenings in many samples. We could in fact identify novel missense mutations in the SNRNP200 gene, encoding an essential RNA helicase for splicing catalysis. Interestingly, one of these mutations showed incomplete penetrance in one family with adRP. Thus, we started to study the possible molecular causes underlying phenotypic differences between asymptomatic and affected members of this family. For the study of hypertension, I joined a European consortium to perform genome-wide association studies (GWAS). Thanks to the use of very informative genotyping arrays and of phenotipically well-characterized cohorts, we could identify a novel susceptibility locus for hypertension in the promoter region of the endothelial nitric oxide synthase gene (NOS3). Moreover, we have proven the direct causality of the associated SNP using three different methods: 1) targeted resequencing, 2) luciferase assay, and 3) population study. - Le récent progrès dans le Séquençage à haut Débit et les protocoles de génotypage a permis une plus vaste et rapide étude des maladies mendéliennes et multifactorielles à une échelle encore jamais atteinte. Durant ma thèse de recherche, j'ai utilisé ces nouvelles techniques de séquençage afin d'étudier la retinite pigmentale (RP), une maladie héréditaire rare caractérisée par une perte progressive des photorécepteurs de l'oeil qui entraine la cécité; et l'hypertension, une maladie commune touchant 30% de la population adulte. Tout d'abord, j'ai effectué une comparaison des performances de différentes plateformes de séquençage NGS (Next Generation Sequencing) lors du séquençage de PRPF31, un gène lié à RP. Ce gène contenait une mutation dans un élément répétable intronique, qui présentait des difficultés de séquençage avec la méthode classique et les NGS. Nous avons montré que les plateformes de NGS analysées sont des outils très puissants pour identifier des variations de l'ADN rares ou communes et aussi dans le cas de séquences complexes. De plus, nous avons exploré les caractéristiques des différentes plateformes NGS qui sont importantes dans les projets de re-séquençage. L'objectif principal de ma thèse a été ensuite d'examiner l'effet des facteurs d'épissage de pre-ARNm dans une forme autosomale dominante de RP (adRP). Un screening de 5 gènes candidats issus d'une large cohorte de patients a été effectué en utilisant la long-range PCR comme étape d'enrichissement, suivie par séquençage avec NGS. Nous avons testé deux approches différentes : dans la première, toutes les cibles PCRs de tous les patients ont été regroupées et séquencées comme une bibliothèque d'ADN unique; dans la seconde, les PCRs de chaque patient ont été séparées par code barres d'ADN. La première solution a été la plus économique, tandis que la seconde a permis d'obtenir des résultats plus rapides et précis. Dans l'ensemble, ces deux stratégies se sont démontrées efficaces pour le screening de gènes issus de divers échantillons. Nous avons pu identifier des nouvelles mutations faux-sens dans le gène SNRNP200, une hélicase ayant une fonction essentielle dans l'épissage. Il est intéressant de noter qu'une des ces mutations montre une pénétrance incomplète dans une famille atteinte d'adRP. Ainsi, nous avons commencé une étude sur les causes moléculaires entrainant des différences phénotypiques entre membres affectés et asymptomatiques de cette famille. Lors de l'étude de l'hypertension, j'ai rejoint un consortium européen pour réaliser une étude d'association Pangénomique ou genome-wide association study Grâce à l'utilisation de tableaux de génotypage très informatifs et de cohortes extrêmement bien caractérisées au niveau phénotypique, un nouveau locus lié à l'hypertension a été identifié dans la région promotrice du gène endothélial nitric oxide sinthase (NOS3). Par ailleurs, nous avons prouvé la cause directe du SNP associé au moyen de trois méthodes différentes: i) en reséquençant la cible avec NGS, ii) avec des essais à la luciférase et iii) une étude de population.