Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Importance of ENaC-mediated sodium transport in alveolar fluid clearance using genetically-engineered mice.

The lung possesses specific transport systems that intra- and extracellularly maintain salt and fluid balance necessary for its function. At birth, the lungs rapidly transform into a fluid (Na(+))-absorbing organ to enable efficient gas exchange. Alveolar fluid clearance, which mainly depends on sodium transport in alveolar epithelial cells, is an important mechanism by which excess water in the alveoli is reabsorbed during the resolution of pulmonary edema. In this review, we will focus and summarize on the role of ENaC in alveolar lung liquid clearance and discuss recent data from mouse models with altered activity of epithelial sodium channel function in the lung, and more specifically in alveolar fluid clearance. Recent data studying mice with hyperactivity of ENaC or mice with reduced ENaC activity clearly illustrate the impaired lung fluid clearance in these adult mice. Further understanding of the physiological role of ENaC and its regulatory proteins implicated in salt and water balance in the alveolar cells may therefore help to develop new therapeutic strategies to improve gas exchange in pulmonary edema.

Regulation of Nav1.7 and Nav1.8 voltage-gated sodium channels by Nedd4-2 and β-subunits and its implication in neuropathic pain

In mammals, the presence of excitable cells in muscles, heart and nervous system is crucial and allows fast conduction of numerous biological information over long distances through the generation of action potentials (AP). Voltage-gated sodium channels (Navs) are key players in the generation and propagation of AP as they are responsible for the rising phase of the AP. Navs are heteromeric proteins composed of a large pore-forming a-subunit (Nav) and smaller ß-auxiliary subunits. There are ten genes encoding for Navl.l to Nav1.9 and NaX channels, each possessing its own specific biophysical properties. The excitable cells express differential combinations of Navs isoforms, generating a distinct electrophysiological signature. Noteworthy, only when anchored at the membrane are Navs functional and are participating in sodium conductance. In addition to the intrinsic properties of Navs, numerous regulatory proteins influence the sodium current. Some proteins will enhance stabilization of membrane Navs while others will favour internalization. Maintaining equilibrium between the two is of crucial importance for controlling cellular excitability. The E3 ubiquitin ligase Nedd4-2 is a well-characterized enzyme that negatively regulates the turnover of many membrane proteins including Navs. On the other hand, ß-subunits are known since long to stabilize Navs membrane anchoring. Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of Navs expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons as highlighted in different animal models of neuropathic pain. Among Navs, Nav1.7 and Nav1.8 are abundantly and specifically expressed in DRG sensory neurons and have been recurrently incriminated in nociception and neuropathic pain development. Using the spared nerve injury (SNI) experimental model of neuropathic pain in mice, I observed a specific reduction of Nedd4-2 in DRG sensory neurons. This decrease subsequently led to an upregulation of Nav1.7 and Nav1.8 protein and current, in the axon and the DRG neurons, respectively, and was sufficient to generate neuropathic pain-associated hyperexcitability. Knocking out Nedd4-2 specifically in nociceptive neurons led to the same increase of Nav1.7 and Nav1.8 concomitantly with an increased thermal sensitivity in mice. Conversely, rescuing Nedd4-2 downregulation using viral vector transfer attenuated neuropathic pain mechanical hypersensitivity. This study demonstrates the significant role of Nedd4-2 in regulating cellular excitability in vivo and its involvement in neuropathic pain development. The role of ß-subunits in neuropathic pain was already demonstrated in our research group. Because of their stabilization role, the increase of ßl, ß2 and ß3 subunits in DRGs after SNI led to increased Navs anchored at the membrane. Here, I report a novel mechanism of regulation of a-subunits by ß- subunits in vitro; ßl and ß3-subunits modulate the glycosylation pattern of Nav1.7, which might account for stabilization of its membrane expression. This opens new perspectives for investigation Navs state of glycosylation in ß-subunits dependent diseases, such as in neuropathic pain. - Chez les mammifères, la présence de cellules excitables dans les muscles, le coeur et le système nerveux est cruciale; elle permet la conduction rapide de nombreuses informations sur de longues distances grâce à la génération de potentiels d'action (PA). Les canaux sodiques voltage-dépendants (Navs) sont des participants importants dans la génération et la propagation des PA car ils sont responsables de la phase initiale de dépolarisation du PA. Les Navs sont des protéines hétéromériques composées d'une grande sous-unité a (formant le pore du canal) et de petites sous-unités ß accompagnatrices. Il existe dix gènes qui codent pour les canaux sodiques, du Nav 1.1 au Nav 1.9 ainsi que NaX, chacun possédant des propriétés biophysiques spécifiques. Les cellules excitables expriment différentes combinaisons des différents isoformes de Navs, qui engendrent une signature électrophysiologique distincte. Les Navs ne sont fonctionnels et ne participent à la conductibilité du Na+, que s'ils sont ancrés à la membrane plasmique. En plus des propriétés intrinsèques des Navs, de nombreuses protéines régulatrices influencent également le courant sodique. Certaines protéines vont favoriser l'ancrage et la stabilisation des Navs exprimés à la membrane, alors que d'autres vont plutôt favoriser leur internalisation. Maintenir l'équilibre des deux processus est crucial pour contrôler l'excitabilité cellulaire. Dans ce contexte, Nedd4-2, de la famille des E3 ubiquitin ligase, est une enzyme bien caractérisée qui régule l'internalisation de nombreuses protéines, notamment celle des Navs. Inversement, les sous-unités ß sont connues depuis longtemps pour stabiliser l'ancrage des Navs à la membrane. La douleur neuropathique périphérique est une condition débilitante résultant d'une atteinte à un nerf. Elle est caractérisée par la dérégulation des Navs exprimés dans les neurones sensoriels du ganglion spinal (DRG). Ceci a été démontré à de multiples occasions dans divers modèles animaux de douleur neuropathique. Parmi les Navs, Nav1.7 et Nav1.8 sont abondamment et spécifiquement exprimés dans les neurones sensoriels des DRG et ont été impliqués de façon récurrente dans le développement de la douleur neuropathique. En utilisant le modèle animal de douleur neuropathique d'épargne du nerf sural (spared nerve injury, SNI) chez la souris, j'ai observé une réduction spécifique des Nedd4-2 dans les neurones sensoriels du DRG. Cette diminution avait pour conséquence l'augmentation de l'expression des protéines et des courants de Nav 1.7 et Nav 1.8, respectivement dans l'axone et les neurones du DRG, et était donc suffisante pour créer l'hyperexcitabilité associée à la douleur neuropathique. L'invalidation pour le gène codant pour Nedd4-2 dans une lignée de souris génétiquement modifiées a conduit à de similaires augmentations de Nav1.7 et Nav1.8, parallèlement à une augmentation à la sensibilité thermique. A l'opposé, rétablir une expression normale de Nedd4-2 en utilisant un vecteur viral a eu pour effet de contrecarrer le développement de l'hypersensibilité mécanique lié à ce modèle de douleur neuropathique. Cette étude démontre le rôle important de Nedd4-2 dans la régulation de l'excitabilité cellulaire in vivo et son implication dans le développement des douleurs neuropathiques. Le rôle des sous-unités ß dans les douleurs neuropathiques a déjà été démontré dans notre groupe de recherche. A cause de leur rôle stabilisateur, l'augmentation des sous-unités ßl, ß2 et ß3 dans les DRG après SNI, conduit à une augmentation des Navs ancrés à la membrane. Dans mon travail de thèse, j'ai observé un nouveau mécanisme de régulation des sous-unités a par les sous-unités ß in vitro. Les sous-unités ßl et ß3 régulent l'état de glycosylation du canal Nav1.7, et stabilisent son expression membranaire. Ceci ouvre de nouvelles perspectives dans l'investigation de l'état de glycosylation des Navs dans des maladies impliquant les sous-unités ß, notamment les douleurs neuropathiques.

Mutations causing Liddle syndrome reduce sodium-dependent downregulation of the epithelial sodium channel in the Xenopus oocyte expression system.

Liddle syndrome is an autosomal dominant form of hypertension resulting from deletion or missense mutations of a PPPxY motif in the cytoplasmic COOH terminus of either the beta or gamma subunit of the epithelial Na channel (ENaC). These mutations lead to increased channel activity. In this study we show that wild-type ENaC is downregulated by intracellular Na+, and that Liddle mutants decrease the channel sensitivity to inhibition by intracellular Na+. This event results at high intracellular Na+ activity in 1.2-2.4-fold higher cell surface expression, and 2.8-3.5-fold higher average current per channel in Liddle mutants compared with the wild type. In addition, we show that a rapid increase in the intracellular Na+ activity induced downregulation of the activity of wild-type ENaC, but not Liddle mutants, on a time scale of minutes, which was directly correlated to the magnitude of the Na+ influx into the oocytes. Feedback inhibition of ENaC by intracellular Na+ likely represents an important cellular mechanism for controlling Na+ reabsorption in the distal nephron that has important implications for the pathogenesis of hypertension.

Evidence for a sodium-induced activation of central neurogenic mechanisms in one-kidney, one-clip renal hypertensive rats

The mechanisms sustaining high blood pressure in conscious one-kidney, one-clip Goldblatt rats were evaluated with the use of SK&F 64139, a phenylethanolamine N-methyltransferase inhibitor capable of crossing the blood-brain barrier and of captopril, an angiotensin converting enzyme inhibitor. The rats were studied 3 weeks after left renal artery clipping and contralateral nephrectomy. During the developmental phase of hypertension, two groups of rats were maintained on a regular salt (RNa) intake, whereas two other groups were given a low salt (LNa) diet. On the day of the experiment, the base-line mean blood pressure measured in the LNa rats (177.4 +/- 5.2 mm Hg, mean +/- S.E., n = 15) was similar to that measured in the RNa rats (178.7 +/- 5.4 mm Hg, n = 16). SK&F 64139 (12.5 mg p.o.) induced a significantly more pronounced (P less than .001) blood pressure decrease in the RNa rats (-25.6 +/- 3.6 mm Hg, n = 8) than in the LNa rats (-4.3 +/- 3.3 mm Hg, n = 7) during a 90-min observation period. On the other hand, captopril (10 mg p.o.) normalized blood pressure in LNa rats (n = 8), but produced only a 13.4 mm Hg blood pressure drop in RNa rats (n = 8). RNa rats treated with SK&F 64139 were found to have decreased phenylethanolamine N-methyltransferase activity by an average 80% in selected brain stem nuclei when compared with nontreated rats. No significant difference in plasma catecholamine levels was found between the RNa and LNa rats. These results suggest that, in this experimental model of hypertension, the sodium ion might increase the model of hypertension, the sodium ion might increase the vasoconstrictor contribution of the sympathetic system via a centrally mediated neurogenic mechanism while at the same time it decreases the renin-dependency of the high blood pressure.

Differential effects of sodium oxybate and baclofen on EEG, sleep, neurobehavioral performance, and memory.

STUDY OBJECTIVES: Sodium oxybate (SO) is a GABA(B) agonist used to treat the sleep disorder narcolepsy. SO was shown to increase slow wave sleep (SWS) and EEG delta power (0.75-4.5 Hz), both indexes of NREM sleep (NREMS) intensity and depth, suggesting that SO enhances recuperative function of NREM. We investigated whether SO induces physiological deep sleep. DESIGN: SO was administered before an afternoon nap or before the subsequent experimental night in 13 healthy volunteers. The effects of SO were compared to baclofen (BAC), another GABA(B) receptor agonist, to assess the role of GABA(B) receptors in the SO response. MEASUREMENTS AND RESULTS: As expected, a nap significantly decreased sleep need and intensity the subsequent night. Both drugs reversed this nap effect on the subsequent night by decreasing sleep latency and increasing total sleep time, SWS during the first NREMS episode, and EEG delta and theta (0.75-7.25 Hz) power during NREMS. The SO-induced increase in EEG delta and theta power was, however, not specific to NREMS and was also observed during REM sleep (REMS) and wakefulness. Moreover, the high levels of delta power during a nap following SO administration did not affect delta power the following night. SO and BAC taken before the nap did not improve subsequent psychomotor performance and subjective alertness, or memory consolidation. Finally, SO and BAC strongly promoted the appearance of sleep onset REM periods. CONCLUSIONS: The SO-induced EEG slow waves seem not to be functionally similar to physiological slow waves. Our findings also suggest a role for GABA(B) receptors in REMS generation. CITATION: Vienne J; Lecciso G; Constantinescu I; Schwartz S; Franken P; Heinzer R; Tafti M. Differential effects of sodium oxybate and baclofen on EEG, sleep, neurobehavioral performance, and memory. SLEEP 2012;35(8):1071-1084.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

Trace element partitioning in HP-LT metamorphic assemblages during subduction-related metamorphism, Ile de Groix, France: a detailed LA-ICPMS study

Devolatilization reactions and subsequent transfer of fluid from subducted oceanic crust into the overlying mantle wedge are important processes, which are responsible for the specific geochemical characteristics of subduction-related metamorphic rocks, as well as those of arc magmatism. To better understand the geochemical fingerprint induced by fluid mobilization during dehydration and rehydration processes related to subduction zone metamorphism, the trace element and rare earth element (REE) distribution patterns in HP-LT metamorphic assemblages in eclogite-, blueschist- and greenschist-facies rocks of the Ile de Groix were obtained by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) analysis. This study focuses on 10 massive basic rocks representing former hydrothermally altered mid-ocean ridge basalts (MORB), four banded basic rocks of volcano-sedimentary origin and one micaschist. The main hosts for incompatible trace elements are epidote (REE, Th, U, Pb, Sr), garnet [Y, heavy REE (HREE)], phengite (Cs, Rb, Ba, B), titanite [Ti, Nb, Ta, REE; HREE > LREE (light REE)], rutile (Ti, Nb, Ta) and apatite (REE, Sr). The trace element contents of omphacite, amphibole, albite and chlorite are low. The incompatible trace element contents of minerals are controlled by the stable metamorphic mineral assemblage and directly related to the appearance, disappearance and reappearance of minerals, especially epidote, garnet, titanite, rutile and phengite, during subduction zone metamorphism. Epidote is a key mineral in the trace element exchange process because of its large stability field, ranging from lower greenschist- to blueschist- and eclogite-facies conditions. Different generations of epidote are generally observed and related to the coexisting phases at different stages of the metamorphic cycle (e.g. lawsonite, garnet, titanite). Epidote thus controls most of the REE budget during the changing P-T conditions along the prograde and retrograde path. Phengite also plays an important role in determining the large ion lithophile element (LILE) budget, as it is stable to high P-T conditions. The breakdown of phengite causes the release of LILE during retrogression. A comparison of trace element abundances in whole-rocks and minerals shows that the HP-LT metamorphic rocks largely retain the geochemical characteristics of their basic, volcano-sedimentary and pelitic protoliths, including a hydrothermal alteration overprint before the subduction process. A large part of the incompatible trace elements remained trapped in the rocks and was recycled within the various metamorphic assemblages stable under changing metamorphic conditions during the subduction process, indicating that devolatilization reactions in massive basic rocks do not necessarily imply significant simultaneous trace element and REE release.

Optical probing of sodium dynamics in neurons and astrocytes.

Changes in intracellular Na(+) concentration underlie essential neurobiological processes, but few reliable tools exist for their measurement. Here we characterize a new synthetic Na(+)-sensitive fluorescent dye, Asante Natrium Green (ANG), with unique properties. This indicator was excitable in the visible spectrum and by two-photon illumination, suffered little photobleaching and located to the cytosol were it remained for long durations without noticeable unwanted effects on basic cell properties. When used in brain tissue, ANG yielded a bright fluorescent signal during physiological Na(+) responses both in neurons and astrocytes. Synchronous electrophysiological and fluorometric recordings showed that ANG produced accurate Na(+) measurement in situ. This new Na(+) indicator opens innovative ways of probing neuronal circuits.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Trace element supplementation modulates pulmonary infection rates after major burns: a double-blind, placebo-controlled trial.

Infections remain the leading cause of death after major burns. Trace elements are involved in immunity and burn patients suffer acute trace element depletion after injury. In a previous nonrandomized study, trace element supplementation was associated with increased leukocyte counts and shortened hospital stays. This randomized, placebo-controlled trial studied clinical and immune effects of trace element supplements. Twenty patients, aged 40 +/- 16 y (mean +/- SD), burned on 48 +/- 17% of their body surfaces, were studied for 30 d after injury. They consumed either standard trace element intakes plus supplements (40.4 micromol Cu, 2.9 micromol Se, and 406 micromol Zn; group TE) or standard trace element intakes plus placebo (20 micromol Cu, 0.4 micromol Se, and 100 micromol Zn; group C) for 8 d. Demographic data were similar for both groups. Mean plasma copper and zinc concentrations were below normal until days 20 and 15, respectively (NS). Plasma selenium remained normal for group TE but decreased for group C (P < 0.05 on days 1 and 5). Total leukocyte counts tended to be higher in group TE because of higher neutrophil counts. Proliferation to mitogens was depressed compared with healthy control subjects (NS). The number of infections per patient was significantly (P < 0.05) lower in group TE (1.9 +/- 0.9) than in group C (3.1 +/- 1.1) because of fewer pulmonary infections. Early trace element supplementation appears beneficial after major burns; it was associated with a significant decrease in the number of bronchopneumonia infections and with a shorter hospital stay when data were normalized for burn size.