'Toxic' and 'Nontoxic': confirming critical terminology concepts and context for clear communication

If 'the dose makes the poison', and if the context of an exposure to a hazard shapes the risk as much as the innate character of the hazard itself, then what is 'toxic' and what is 'nontoxic'? This article is intended to help readers and communicators: anticipate that concepts such as 'toxic' and 'nontoxic' may have different meanings to different stakeholders in different contexts of general use, commerce, science, and the law; recognize specific situations in which terms and related information could potentially be misperceived or misinterpreted; evaluate the relevance, reliability, and other attributes of information for a given situation; control actions, assumptions, interpretations, conclusions, and decisions to avoid flaws and achieve a desired outcome; and confirm that the desired outcome has been achieved. To meet those objectives, we provide some examples of differing toxicology terminology concepts and contexts; a comprehensive decision-making framework for understanding and managing risk; along with a communication and education message and audience-planning matrix to support the involvement of all relevant stakeholders; a set of CLEAR-communication assessment criteria for use by both readers and communicators; example flaws in decision-making; a suite of three tools to assign relevance vs reliability, align know vs show, and refine perception vs reality aspects of information; and four steps to foster effective community involvement and support. The framework and supporting process are generally applicable to meeting any objective.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.

Gaussian process framework for pervasive estimation of swimming velocity with body-worn IMU

Presented is an accurate swimming velocity estimation method using an inertial measurement unit (IMU) by employing a simple biomechanical constraint of motion along with Gaussian process regression to deal with sensor inherent errors. Experimental validation shows a velocity RMS error of 9.0 cm/s and high linear correlation when compared with a commercial tethered reference system. The results confirm the practicality of the presented method to estimate swimming velocity using a single low-cost, body-worn IMU.

Role of hepatocyte wounding on " Plasmodium " liver-stage development and survival

RESUME La première étape primordiale au cycle de vie du Plasmodium dans un hôte mammifère est l'invasion des hepatocytes par des sporozoites. L'infection finale des hepatocytes est précédée de la traversée de plusieurs cellules hôtes, rompant les membranes plasmiques et ayant comme résultat la sécrétion des facteurs cytotoliques dans le micro-environnement. Ce matériel endogène libéré est fortement stimulant/immunogène et peut servir de signal de danger initiant des réponses distinctes dans diverses cellules. De nos jours, le caractère essentiel et salutaire de la migration des sporozoites comme étape d'infection du Plasmodium est vivement controversée. Ainsi, notre étude a visé à caractériser l'effet de l'interaction du parasite avec ses cellules hôtes d'un point de vue immunologique. En particulier, nous avons voulu évaluer l'effet de la perte de matériel cellulaire pendant l'infection de Plasmodium sur les hepatocytes primaires de souris et sur des cultures cellulaires HepG2. Nous avons observé que les facteurs cytotoxiques dérivés des cellules endommagés activent NF-κB - un important régulateur de réponse inflammatoires -dans des cellules voisines des cellules endommagés, qui sont des cellules hôtes potentielles pour l'infection finale du parasite. Cette activation de NF-κB s'est produite peu de temps après l'infection et a mené in vitro et in vivo à une réduction d'infection de façon dépendante du temps, un effet qui a pu être compensé par l'addition de BAY11-7082, un inhibiteur spécifique de NF-κB. De plus, aucune activation de NF-κB avec des parasites SPECT-/-, incapables de traverser les hepatocytes, n'a été observée. Nous avons montré parla suite que l'activation de NF-κB induit l'expression de l'enzyme iNOS dans les hepatocytes, qui est responsable d'une diminution des hepatocytes infectés. En outre, les hepatocytes primaires des souris MyD88-/- n'ont montré ni activation de NF-κB, ni expression d'iNOS lors de l'infection, ce qui suggère la participation des membres de famille du Toll/IL-1 récepteur dans la reconnaissance des facteurs cytosoxiques. En effet, le manque de MyD88 a augmenté significativement l'infection in vitro et in vivo. D'autre part, un rôle bénéfique pour l'activation de NF-κB a été évalué. Les cellules infectées étaient plus résistantes contre l'apoptose induite par Fas (CD95/Apo-1) que les cellules non infectées ou les cellules infectées dans lesquelles NF-κB a été bloqué par BAY11-7082 in vitro. Paradoxalement, l'expression d'iNOS contribue à la protection des cellules infectées contre l'apoptose pax Fas, puisque le traitement avec l'inhibiteur spécifique SMT (S-methylisothiourea) a rendu les cellules infectées plus susceptibles à l'apoptose. Un effet bénéfique additionnel pour le parasite est que la plupart des cellules hôtes traversées présentent des peptides du parasite aux cellules T cytotoxiques spécifiques et peuvent donc réorienter la réaction immune spécifique sur les cellules non infectées. Nous montrons que les cellules hôtes endommagés par la migration du parasite induit l'inflammation, qui limite l'ampleur de l'infection. D'autre part, nos données soutiennent que la survie du parasite Plasmodium dans le foie est assurée par une augmentation de la résistance des hepatocytes contre l'apoptose. SUMMARY The first obligatory step of the Plasmodium life cycle in the mammalian host is the invasion of hepatocytes by sporozoites. Final hepatocyte infection involves the penetration of several host cells, whose plasma membranes are ruptured in the process, resulting in the release of cytosolic factors into the microenvironment. This released endogenous material is highly stimulatory / immunogenic and can serve as a danger signal initiating distinct responses in various cells. To date, it is highly controversial whether sporozoite migration through hepatocytes is an essential and beneficial step for Plasmodium infection. Thus, our study aimed at characterizing the effect of the interaction of the parasite with its host cells from an immunological point of view In particular, we wanted to evaluate the effect of cell material leakage during Plasmodium infection on cultured mouse primary hepatocytes and HepG2 cells. We observed that wounded cell-derived cytosolic factors activate NF-κB - a main regulator of host inflammatory responses - in cells bordering wounded cells, which are potential host cells for final parasite infection. This activation of NF-κB occurred shortly after infection and led to a reduction of infection load in a time dependent manner in vitro and in viva, an effect that could be reverted by addition of the specific NF-κB inhibitor BAY11-7082. In addition, no NF-κB activation was observed when SPECT-/- parasites, which are devoid of hepatocyte traversing properties, were used. We provide further evidence that NF-κB activation causes the induction of inducible nitric oxide synthase (iNOS) expression in hepatocytes, and this is, in turn, responsible for a decrease in Plasmodium-infected hepatocytes. Furthermore, primary hepatocytes from MyD88-/- mice showed no NF-κB activation and iNOS expression upon infection, suggesting a role of the Toll/IL-1 receptor family members in sensing cytosolic factors. Indeed, lack of MyD88 significantly increased infection in vitro and in vivo. In a further complementary series of experiments, we assessed a possible beneficial role for the activation of NF-κB. Infected cells were more resistant to Fas (CD95/Apo-1)-mediated apoptosis than uninfected cells or infected cells in which NF-κB was blocked by BAYl1-7082 in vitro. Paradoxically, iNOS expression contributes to the protection of infected cells from Fas-induced apoptosis, since treatment with the specific iNOS inhibitor SMT (S-Methylisothiourea Sulfate) rendered the infected cells more susceptible to apoptosis. An additional beneficial effect of host cell traversal for the parasite is the fact that mainly traversed cells present parasite-derived peptides to specific cytotoxic T cells and therefore may redirect the specific immune response to uninfected cells. In summary, we have shown that host cells wounded by parasite migration induce inflammation, which limits the extent of parasite infection. In addition, our data support the notion that survival of Plasmodium parasites in the liver is mediated by increasing the resistance of hepatocytes to Fas-induced apoptosis.

The activation process of the alpha1B-adrenergic receptor: potential role of protonation and hydrophobicity of a highly conserved aspartate.

In this study, a quantitative approach was used to investigate the role of D142, which belongs to the highly conserved E/DRY sequence, in the activation process of the alpha1B-adrenergic receptor (alpha1B-AR). Experimental and computer-simulated mutagenesis were performed by substituting all possible natural amino acids at the D142 site. The resulting congeneric set of proteins together with the finding that all the receptor mutants show various levels of constitutive (agonist-independent) activity enabled us to quantitatively analyze the relationships between structural/dynamic features and the extent of constitutive activity. Our results suggest that the hydrophobic/hydrophilic character of D142, which could be regulated by protonation/deprotonation of this residue, is an important modulator of the transition between the inactive (R) and active (R*) state of the alpha1B-AR. Our study represents an example of quantitative structure-activity relationship analysis of the activation process of a G protein-coupled receptor.

Editorial research and the publication process in biomedicine and health: Report from the Esteve Foundation Discussion Group, December 2012.

Despite the fact that there are more than twenty thousand biomedical journals in the world, research into the work of editors and publication process in biomedical and health care journals is rare. In December 2012, the Esteve Foundation, a non-profit scientific institution that fosters progress in pharmacotherapy by means of scientific communication and discussion organized a discussion group of 7 editors and/or experts in peer review biomedical publishing. They presented findings of past editorial research, discussed the lack of competitive funding schemes and specialized journals for dissemination of editorial research, and reported on the great diversity of misconduct and conflict of interest policies, as well as adherence to reporting guidelines. Furthermore, they reported on the reluctance of editors to investigate allegations of misconduct or increase the level of data sharing in health research. In the end, they concluded that if editors are to remain gatekeepers of scientific knowledge they should reaffirm their focus on the integrity of the scientific record and completeness of the data they publish. Additionally, more research should be undertaken to understand why many journals are not adhering to editorial standards, and what obstacles editors face when engaging in editorial research.

Epidermal differentiation and carcinogenesis

Summary Skin, and more precisely the epidermis, plays a crucial role in our survival since it constitutes our first line of defense against our environment. A subtle equilibrium between proliferation and differentiation of keratinocytes, the main epidermal cell type, provides a continous self-renewal of the epidermis, maintaining the integrity of this protective barrier. It is now well established that pertubation of the normal balance between proliferation and differentiation can induce development of several diseases including cancer. The aim of my thesis was first to characterize new genes involved in the differentiation process of keratinocytes and the formation of the epidermis. We show that cornulin, encoded by the c1orf10 gene, is a new marker of epidermal differentiation, mainly expressed in the suprabasal layers of the epidermis. Structurally, cornulin belongs to the "fused genes" protein family and contains a functional calcium-binding domain as well as two repeated sequences of 60 amino acids, the function of which remain unknown. The second part of my work aimed to identify new proteins interacting with CYLD. When mutated, CYLD is responsible for cylindromatosis, a predisposition to benign tumors of skin appendages mainly located on the scalp. CYLD is implicated in the NF-κB signalling pathway. We have identified HBO1 and p30, two nuclear proteins, as potential CYLD partners. Since CYLD was described as a negative regulator of NF-icB-mediated transcription, we have tested the putative effect of HBO1 and p30 on the regulation of this signalling pathway. We have shown that only HBO1 is able to inhibit NF-κB-mediated transactivation. The mechanism of action of HBO1 is still under investigation but our results suggest that an unknown cofactor is involved in this process. Résumé La peau est cruciale à notre survie car elle est notre première ligne de défense contre notre environnement. L'épiderme qui forme cette barrière protectrice entre le corps et l'environnement extérieur est continuellement renouvelé suite aux agressions physiques, chimiques et biologiques répétées qu'il subit. Le but de ce renouvellement étant de garantir l'intégrité de cette barrière. Le keratinocyte est le principal type cellulaire trouvé dans l'épiderme. La formation d'une barrière active dépend essentiellement de la faculté des kératinocytes à proliférer et à se différencier. Il est aujourd'hui admis que tout déséquilibre entre l'activité de prolifération et de différenciation des kératinocytes est la cause du développement de plusieurs maladies, dont certains cancers. Le but de ce travail de thèse était, dans un premier temps d'identifier ou de caractériser de nouveaux gènes impliqués dans le processus de différenciation afin de mieux comprendre la formation de l'épiderme. Noús avons ainsi démontré que la cornulin, produit du gène c1orf10, est un nouveau marqueur de la différenciation épidermique, principalement exprimé dans les couches suprabasales de l'épiderme. D'un point de vue structural, nous avons montré que cette protéine appartient à la famille des « fused gene » et qu'elle possède un domaine de liaison au calcium qui est fonctionnel et deux séquences répétées de 60 acides aminés dont la fonction est encore inconnue. La seconde partie de cette thèse était dédiée à l'étude de la cylindromatose, une prédisposition génétique à la formation de tumeurs bénignes, principalement localisées sur la tête et due à des mutations du gène CYLD. Nous avons cherché de nouvelles protéines qui interagissent avec CYLD afin de mieux caractériser les voies de signalisation impliquées dans le développement de la maladie. Nous avons ainsi identifiés deux nouveaux partenaires potentiels de CYLD ; HBO1 et p30 CYLD ayant été décrit comme un régulateur négatif de la transcription médiée par NF-κB; nous avons testé l'implication de HBO1 et p30 au niveau de cette activité transcriptionnelle. Nous montrons que seul HBO1 est capable d'inhiber la transactivation d'un gène rapporteur régulé par NF-κB. Le mécanisme d'action de HBO1 n'est pas encore connu, néanmoins nos résultats suggèrent l'intervention d'un cofacteur qui reste à déterminer.

Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

Population differentiation and its consequences in the white campion "Silene latifolia" (Caryophyllaceae): a functional analysis

Summary In his theory On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859), Darwin describes evolution as a gradual change in population over time and that natural selection is a process that caused evolution. Because quantitative variation in species is partly influenced by several genes and thus heritable, association between levels of genetic variation at neutral markers and at quantitative traits and their partitioning within and among populations are important to study mechanisms that drive evolution in populations. Most studies addressing quantitative variation in plants focused on morphological and life history traits but not in traits affecting reproductive success. The aim of this thesis is to better understand how patterns of variation for neutral molecular markers and phenotypic traits drive the evolution of reproduction and defensive mechanisms in six European populations of Silene latifolia, a dioecious plant species. We found evidence for extremely high within and between population variation at six microsatellite loci and at most quantitative traits studied in plants grown under standardized conditions (morphology, life history and reproductive traits). Interestingly, there was clinal variation between age at first flowering and latitude. This pattern is likely due to natural selection since differentiation of this trait was high, heritable and probably higher than differentiation at neutral markers. Our study focused on sex specific selective pressures: mechanisms of intersexual coadaptation and defence mechanism against the seed predator Hadena bicruris. To address divergence at reproductive traits, we studied male and female population of origin effects and in particular pollen competitive ability on male post-pollination success in the study populations with within and between populations crosses. We crossed the same female plant with pollen from a male within the same population of origin and pollen from two males from two distinct populations, using a fixed tester male as a competitor. Additionally, we conducted control crosses with pollen from each male as a single donor. We analysed paternity success of each competitor with two microsatellite loci, seed set and offspring fitness. Male population of origin showed significant among-population variation for siring success at pollen competition. In vitro pollen germination rate showed heritable variation among populations and was positively correlated to siring success. Local or foreign pollen did not have a consistent advantage. Furthermore, female population of origin affected the outcome of pollen competition in some populations. There was no difference of seed set or offspring fitness in within/ between population crosses. This suggests that reproductive divergence may occur via pollen competition in Silene latifolia. The specialist seed predator Hadena bicruris may also induce divergence between populations. We tested potential constitutive and induced defence mechanisms against the specialist predator Hadena bicruris. Because fruit wall thickness is smaller in the invasive range (Northern America) were the moth is absent, this suggests that a thicker fruit wall is a potentially defensive trait against larval attack, and that relaxed selection in the absence of the seed predator has resulted in an evolutionary loss of this defence in the invasive range. Fruit wall thickness was different among three populations. Experimental exposure to moth eggs increased fruit abortion. Fruits built after attack on exposed plants did not have thicker fruit walls compared to fruits on non-exposed plants. Furthermore, fruits with thicker fruit walls were not less profitable, nor did they require longer handling time when exposed to larvae, suggesting no defensive role of fruit wall thickness. Our results show that there is high molecular and phenotypic variation in Silene latifolia and that traits potentially involved in reproductive success both for intra-specific (between sexes) and inter-specific interactions are heritable. Different selective forces may thus interact and cause differential evolution of geographically separated Silene latifolia populations in Europe, leading to the observed differentiation. Résumé Dans sa théorie de l'évolution, L'origine des espèces, ch. 4 (1859), Darwin décrit l'évolution comme un processus continu au cours du temps à l'intérieur de populations et que la sélection naturelle en est le moteur. La variation quantitative est en partie déterminée par plusieurs gènes, donc transmissible à la descendance. Associer le niveau de variation génétique à des marqueurs neutres au niveau de la variation à des traits quantitatifs, ainsi que la répartition à l'intérieur et entre les populations d'une espèce donnée de cette variation, sont importants dans la compréhension des forces évolutives. La plupart des études scientifiques sur la variation quantitative chez les plantes se sont intéressées à la morphologie et à la phénologie mais pas aux caractères impliqués dans le succès reproducteur. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment la répartition de la variation à des marqueurs neutres et des caractères quantitatifs influence l'évolution de la reproduction et des mécanismes de défense dans six populations Européennes de l'espèce dioïque Silene latifolia. Nous avons mis en évidence une grande diversité intra et inter-population à six loci microsatellites ainsi qu'à la plupart des caractères quantitatifs mesurés (morphologie, phénologie et traits reproducteurs) sur des plantes cultivées dans des conditions standardisées. Un résultat intéressant est la présence d'un cline latitudinal pour l'âge à la floraison. Ceci est probablement une conséquence de la sélection naturelle, puisque ce caractère est différencié entre les populations étudiées, héritable et que la différenciation de ce trait est supérieure à la différenciation des marqueurs neutres étudiés. Notre étude a ensuite porté plus précisément sur les pressions de sélection spécifiques aux sexes : la coadaptation entre les sexes et les mécanismes de défense contre l'insecte granivore Hadena bicruris. Afin d'évaluer la divergence sur les traits reproducteurs, nous avons étudié les effets des populations d'origine des mâles et des femelles et en particulier le succès reproducteur des mâles après pollinisation à l'aide de croisements inter et intra-population. Nous avons pollinisé la même femelle avec du pollen provenant d'un mâle de la même population ainsi qu'avec le pollen de deux mâles provenant de deux autres populations en situation de compétition avec un pollen provenant d'une population test. Des croisements contrôle ont été réalisés avec les mêmes mâles en pollinisation pure. Nous avons évalué le succès reproducteur de chaque mâle à l'aide d'analyses de paternité ainsi que la production de graines et la fitness de la descendance. L'origine du mâle avait un effet sur la paternité. Le taux de croissance in vitro du pollen est un caractère héritable et a eu un effet positif sur le succès reproducteur. De plus, l'origine de la femelle avait un effet sur le succès des mâles en compétition dans certaines populations. Nos résultats suggèrent qu'une divergence reproductive chez Silene latifolia pourrait apparaître suite à la compétition pollinique. Nous avons ensuite testé des mécanismes potentiels de défense constitutive et induite contre l'herbivore spécialiste Hadena bicruris, un papillon nocturne qui pourrait aussi jouer un rôle dans la différenciation des populations. L'épaisseur des fruits étant plus faible dans les régions où la plante est invasive (Amérique du Nord) et où l'insecte est absent, ce trait pourrait jouer un rôle défensif. Une pression de sélection plus faible causée par l'absence de l'herbivore aurait abouti à une perte de cette défense dans ces régions. Nous avons montré que l'épaisseur du fruit est variable selon les populations. L'infestation artificielle de fruit par l'insecte induit l'abscission sélective des fruits. Les fruits produits après une infestation n'étaient pas plus épais que les fruits issus de plantes non infestées. De plus, les fruits épais n'étaient pas moins nutritifs et ne causaient pas de perte de temps pour la prédation pour les larves, ce qui suggère que l'épaisseur des fruits ne joue pas un rôle défensif. Nos résultats montrent que plusieurs pressions de sélection interviennent et interagissent dans l'évolution de populations distantes, provoquant la divergence des populations Européennes de l'espèce Silene latifolia.