New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

Mapping complex tissue architecture with diffusion spectrum magnetic resonance imaging.

Methods are presented to map complex fiber architectures in tissues by imaging the 3D spectra of tissue water diffusion with MR. First, theoretical considerations show why and under what conditions diffusion contrast is positive. Using this result, spin displacement spectra that are conventionally phase-encoded can be accurately reconstructed by a Fourier transform of the measured signal's modulus. Second, studies of in vitro and in vivo samples demonstrate correspondence between the orientational maxima of the diffusion spectrum and those of the fiber orientation density at each location. In specimens with complex muscular tissue, such as the tongue, diffusion spectrum images show characteristic local heterogeneities of fiber architectures, including angular dispersion and intersection. Cerebral diffusion spectra acquired in normal human subjects resolve known white matter tracts and tract intersections. Finally, the relation between the presented model-free imaging technique and other available diffusion MRI schemes is discussed.

The pressure cooker technique for the treatment of brain AVMs.

Arteriovenous malformations (AVMs) may be cured by injecting liquid embolic agents such as Onyx. Reflux, however, can sometimes be difficult to control and may jeopardize a complete embolization. The pressure cooker technique (PCT) was designed to create an anti-reflux plug by trapping the detachable part of an Onyx-compatible microcatheter with coils and glue in order to obtain wedge-flow conditions, thereby enabling a better understanding of macrofistulous AVMs and a more comprehensive, forceful and controlled Onyx embolization. The PCT might enlarge the range of AVMs amenable to endovascular cure. Three illustrative cases are presented.

MDCT Arthrography of the Hip: Value of the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Technique and Potential for Radiation Dose Reduction

Au cours des deux dernières décennies, la technique d'imagerie arthro-scanner a bénéficié de nombreux progrès technologiques et représente aujourd'hui une excellente alternative à l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et / ou arthro-IRM dans l'évaluation des pathologies de la hanche. Cependant, elle reste limitée par l'exposition aux rayonnements ionisants importante. Les techniques de reconstruction itérative (IR) ont récemment été mis en oeuvre avec succès en imagerie ; la littérature montre que l'utilisation ces dernières contribue à réduire la dose d'environ 40 à 55%, comparativement aux protocoles courants utilisant la rétroprojection filtrée (FBP), en scanner de rachis. A notre connaissance, l'utilisation de techniques IR en arthro-scanner de hanche n'a pas été évaluée jusqu'à présent. Le but de notre étude était d'évaluer l'impact de la technique ASIR (GE Healthcare) sur la qualité de l'image objective et subjective en arthro-scanner de hanche, et d'évaluer son potentiel en terme de réduction de dose. Pour cela, trente sept patients examinés par arthro-scanner de hanche ont été randomisés en trois groupes : dose standard (CTDIvol = 38,4 mGy) et deux groupes de dose réduite (CTDIvol = 24,6 ou 15,4 mGy). Les images ont été reconstruites en rétroprojection filtrée (FBP) puis en appliquant différents pourcentages croissants d'ASIR (30, 50, 70 et 90%). Le bruit et le rapport contraste sur bruit (CNR) ont été mesurés. Deux radiologues spécialisés en imagerie musculo-squelettique ont évalué de manière indépendante la qualité de l'image au niveau de plusieurs structures anatomiques en utilisant une échelle de quatre grades. Ils ont également évalué les lésions labrales et du cartilage articulaire. Les résultats révèlent que le bruit augmente (p = 0,0009) et le CNR diminue (p = 0,001) de manière significative lorsque la dose diminue. A l'inverse, le bruit diminue (p = 0,0001) et le contraste sur bruit augmente (p < 0,003) de manière significative lorsque le pourcentage d'ASIR augmente ; on trouve également une augmentation significative des scores de la qualité de l'image pour le labrum, le cartilage, l'os sous-chondral, la qualité de l'image globale (au delà de ASIR 50%), ainsi que le bruit (p < 0,04), et une réduction significative pour l'os trabuculaire et les muscles (p < 0,03). Indépendamment du niveau de dose, il n'y a pas de différence significative pour la détection et la caractérisation des lésions labrales (n=24, p = 1) et des lésions cartilagineuses (n=40, p > 0,89) en fonction du pourcentage d'ASIR. Notre travail a permis de montrer que l'utilisation de plus de 50% d'ASIR permet de reduire de manière significative la dose d'irradiation reçue par le patient lors d'un arthro-scanner de hanche tout en maintenant une qualité d'image diagnostique comparable par rapport à un protocole de dose standard utilisant la rétroprojection filtrée.

Ross procedure: is the root replacement technique superior to the sub-coronary implantation technique? Long-term results.

There is controversy over the use of the Ross procedure with regard to the sub-coronary and root replacement technique and its long-term durability. A systematic review of the literature may provide insight into the outcomes of these two surgical subvariants. A systematic review of reports between 1967 and February 2013 on sub-coronary and root replacement Ross procedures was undertaken. Twenty-four articles were included and divided into (i) sub-coronary technique and (ii) root replacement technique. The 10-year survival rate for a mixed-patient population in the sub-coronary procedure was 87.3% with a 95% confidence interval (CI) of 79.7-93.4 and 89.1% (95% CI, 85.3-92.1) in the root replacement technique category. For adults, it was 94 vs 95.3% (CI, 88.9-98.1) and in the paediatric series it was 90 vs 92.7% (CI, 86.9-96.0), respectively. Freedom from reoperation at 10 years was, in the mixed population, 83.3% (95% CI, 69.9-93.4) and 93.3% (95% CI, 89.4-95.9) for sub-coronary versus root replacement technique, respectively. In adults, it was 98 vs 91.2% (95% CI, 82.4-295.8), and in the paediatric series 93.3 vs 92.0% (95% CI, 86.1-96.5) for sub-coronary versus root replacement technique, respectively. The Ross procedure arguably has satisfactory results over 5 and 10 years for both adults and children. The results do not support the advantages of the sub-coronary technique over the root replacement technique. Root replacement was of benefit to patients undergoing reoperations on neoaorta and for long-term survival in mixed series.

Block of the superior cervical ganglion, description of a novel ultrasound-guided technique in human cadavers.

OBJECTIVE.: Injection of opioids to the superior cervical ganglion (SCG) has been reported to provide pain relief in patients suffering from different kinds of neuropathic facial pain conditions, such as trigeminal neuralgia, postherpetic neuralgia, and atypical facial pain. The classic approach to the SCG is a transoral technique using a so-called "stopper" to prevent accidental carotid artery puncture. The main disadvantage of this technique is that the needle tip is positioned distant from the actual target, possibly impeding successful block of the SCG. A further limitation is that injection of local anesthetics due to potential carotid artery puncture is contraindicated. We hypothesized that the SCG can be identified and blocked using ultrasound imaging, potentially increasing precision of this technique. INTERVENTIONS.: In this pilot study, 20 US-guided simulated blocks of the SCG were performed in 10 human cadavers in order to determine the accuracy of this novel block technique. After injection of 0.1 mL of dye, the cadavers were dissected to evaluate the needle position and coloring of the SCG. RESULTS.: Nineteen of the 20 needle tips were located in or next to the SCG. This corresponded to a simulated block success rate of 95% (95% confidence interval 85-100%). In 17 cases, the SCG was completely colored, and in two cases, the caudal half of the SCG was colored with dye. CONCLUSIONS.: The anatomical dissections confirmed that our ultrasound-guided approach to the SCG is accurate. Ultrasound could become an attractive alternative to the "blind" transoral technique of SCG blocks.

Antibiotic lock technique combined with systemic antimicrobial therapy for management of port-related bloodstream infections in onco-haematological patients without catheter removal

Background : Port-related bloodstream infection (PRBSI) is a common complication associated with long-term use of ports systems. Systemic antimicrobial therapy (ST) and removal of the device is the standard management of PRBSI. However, a conservative management combining ST with antibiotic lock therapy (ALT) without port removal has been suggested as an alternative management option for infections due to gram-positive skin colonizers with low virulence.¦Objectives : i) to assess the frequency of management of PRBSI in onco-hematological patients by combining the ALT with ST, without catheter removal and ii) to analyze the efficacy of such an approach.¦Methods : Retrospective observational study over a 6-year period between 2005 and 2010, including patients who where diagnosed with PRBSI and who were treated with ST and ALT. PRBSI diagnosis consisted in clinical signs of bacteremia with blood cultures positive for gram-positive skin colonizers. The primary endpoint was failure to cure the PRBSI.¦Results : 61 port infections were analysed, of which 23 PRBSI met the inclusion criteria. All the patients were suffering from haematological conditions and 75% were neutropenic at the time of PRBSI diagnosis. S. epidermidis was responsible for 91% of PRBSI (21/23). The median duration of ST was 14 days (range 7-35) and the median duration of ALT was 15 days (range 8-41). Failure to cure the PRBSI requiring port removal was observed in 4 patients, but was not associated with severe infectious complications. Kaplan-Meier analysis showed a success rate in port salvage at day 180 (6 months) of 78% (95%CI 59-97%).¦Conclusion : The success rate observed in the present study suggests that combining ST and ALT is an effective option to conservatively treat PRBSI caused by pathogens of low virulence such as S. epidermidis.

Kernel-based methods for change detection in remote sensing images

Nowadays, the joint exploitation of images acquired daily by remote sensing instruments and of images available from archives allows a detailed monitoring of the transitions occurring at the surface of the Earth. These modifications of the land cover generate spectral discrepancies that can be detected via the analysis of remote sensing images. Independently from the origin of the images and of type of surface change, a correct processing of such data implies the adoption of flexible, robust and possibly nonlinear method, to correctly account for the complex statistical relationships characterizing the pixels of the images. This Thesis deals with the development and the application of advanced statistical methods for multi-temporal optical remote sensing image processing tasks. Three different families of machine learning models have been explored and fundamental solutions for change detection problems are provided. In the first part, change detection with user supervision has been considered. In a first application, a nonlinear classifier has been applied with the intent of precisely delineating flooded regions from a pair of images. In a second case study, the spatial context of each pixel has been injected into another nonlinear classifier to obtain a precise mapping of new urban structures. In both cases, the user provides the classifier with examples of what he believes has changed or not. In the second part, a completely automatic and unsupervised method for precise binary detection of changes has been proposed. The technique allows a very accurate mapping without any user intervention, resulting particularly useful when readiness and reaction times of the system are a crucial constraint. In the third, the problem of statistical distributions shifting between acquisitions is studied. Two approaches to transform the couple of bi-temporal images and reduce their differences unrelated to changes in land cover are studied. The methods align the distributions of the images, so that the pixel-wise comparison could be carried out with higher accuracy. Furthermore, the second method can deal with images from different sensors, no matter the dimensionality of the data nor the spectral information content. This opens the doors to possible solutions for a crucial problem in the field: detecting changes when the images have been acquired by two different sensors.

Adenovirus-mediated gene transfer into selected liver segments using a vascular exclusion technique.

Adenovirus-mediated gene therapy is hampered by severe virus-related toxicity, especially to the liver. The aim of the present study was to test the ability of a vascular exclusion technique to achieve transgene expression within selected liver segments, thus minimizing both viral and transgene product toxicity to the liver. An E1-E3-deleted replication-deficient adenovirus expressing a green fluorescent protein (GFP) reporter gene was injected into the portal vein of BDIX rats, with simultaneous clamping of the portal vein tributaries to liver segments II, III, IV, V, and VIII. GFP expression and inflammatory infiltrate were measured in the different segments of the liver and compared with those of the livers of animals receiving the viral vector in the portal vein without clamping. The GFP expression was significantly higher in the selectively perfused segments of the liver as compared with the non-perfused segments (p < 0.0001) and with the livers of animals that received the vector in the portal vein without clamping (p < 0.0001). Accordingly, the inflammatory infiltrate was more intense in the selectively perfused liver segments as compared with all other groups (p < 0.0001). Fluorescence was absent in lungs and kidneys and minimal in spleen. The clinical usefulness of adenovirus-mediated gene transfer to the liver largely depends on the reduction of its liver toxicity. Clamping of selected portal vein branches during injection allows for delivery of genes of interest to targeted liver segments. Transgene expression confined to selected liver segments may be useful in the treatment of focal liver diseases, including metastases.