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.

Shallow-platform palaeoenvironmental conditions recorded in deep-shelf sediments: C and stable isotopes in Upper Jurassic sections of southern Germany (Oxfordian-Kimmeridgian)

A high-resolution carbon and oxygen isotope analysis of Late Oxfordian-Early Kimmeridgian deep-shelf sediments of southern Germany is combined with investigation of nannofossil assemblage composition and sedimentological interpretations in order to evaluate the impact of regional palaeoenvironmental conditions on isotopic composition of carbonates. This study suggests that carbonate mud was essentially derived from the Jura shallow platform environments and also that the isotopic signature of carbonates deposited in the Swabian Alb deep shelf indirectly expresses the palaeoenvironmental evolution of the platform. Short-term fluctuations in delta(13) C and delta(18)O are probably controlled by changes in salinity (fresh-water input versus evaporation) in platform environments. Long-term fluctuations in carbon and oxygen isotope record throughout the Late Oxfordian-Early Kimmeridgian result from the interplay of increasing temperature and decreasing humidity, which both control the trophic level. Changes from mesotrophic to oligotrophic conditions in platform environments and in the deep-shelf surface waters are inferred. During the Late Oxfordian (Bimammatum Subzone to Planula Zone), the delta(13)C curve displays a positive shift of about 1 parts per thousand, which is comparable in intensity to global perturbations of the carbon cycle. This evident isotopic shift has not been documented yet in other basinal settings. It can be reasonably explained by local palaeoenvironmental changes on the Jura platform (salinity, temperature, and nutrient availability) that controlled platform carbonate production, and the geochemistry of overlying waters. However, increasing carbonate production on the Jura platform and related positive delta(13)C shifts recorded in the Swabian Alb deep shelf are the regional signatures of climatic changes affecting other palaeogeographical domains of Europe in which the carbonate production increased throughout the Late Oxfordian. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

An evolutionary perspective on self-organized division of labor in social insects

Division of labor is a complex phenomenon observed throughout nature. Theoretical studies have focused either on its emergence through self-organization mechanisms or on its adaptive consequences. We suggest that the interaction of self-organization, which undoubtedly characterizes division of labor in social insects, and evolution should be further explored. We review the factors empirically shown to influence task choice. In light of these factors, we review the most important self-organization and evolutionary models for division of labor and outline their advantages and limitations. We describe ways to unify evolution and self-organization in the theoretical study of division of labor and recent results in this area. Finally, we discuss some benchmarks and primary challenges of this approach.

Association of working conditions with self-reported work-related symptoms: results from the Swiss dataset of the European Working Conditions Survey

Working conditions are important determinants of health. The aims of this article are to 1) identify working conditions and work characteristics that are associated with workers' perceptions that their work is harmful to their health and 2) identify with what symptoms these working conditions are associated.We used the Swiss dataset from the 2005 edition of the European Working Conditions Survey. The dependent variable was based on the question "Does your work affect your health?". Logistic regression was used to identify a set of variables collectively associated with self-reported work-related adverse health effects.A total of 330 (32%) participants reported having their health affected by work. The most frequent symptoms included backache (17.1%), muscular pains (13.1%), stress (18.3%) and overall fatigue (11.7%). Scores for self-reported exposure to physicochemical risks, postural and physical risks, high work demand, and low social support were all significantly associated with workers' perceptions that their work is harmful to their health, regardless of gender or age. A high level of education was associated with stress symptoms, and reports that health was affected by work was associated with low job satisfaction.Many workers believe that their work affects their health. Health specialists should pay attention to the potential association between work and their patients' health complaints. This is particularly relevant when patients mention symptoms such as muscular pains, backache, overall fatigue, and stress. Specific attention should be given to complaints of stress in highly educated workers.

Comparative assessement of intimal hyperplasia development after 14 days in two different experimental settings : tissue culture versus ex vivo continuous perfusion of human saphenous vein

Résumé de l'article : L'hyperplasie intimale est un processus de remodelage vasculaire ubiquitaire après une lésion, pouvant menacer la perméabilité de tout type de reconstruction vasculaire. Les mécanismes physiopathologiques impliqués dans le développement de l'hyperplasie intimale ne sont que partiellement élucidés. Il est par conséquent nécessaire d'effectuer des recherches complémentaires afin d'en améliorer la compréhension et ainsi permettre l'élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques médicamenteuses. La culture de veines en milieu statique permet le développement de l'hyperplasie intimale. Ce modèle maintient la viabilité tissulaire, comme décrit précédemment dans d'autres études, mais empêche l'analyse des paramètres hémodynamiques. La mise au point d'un modèle de perfusion in vitro permettant la perfusion de segments vasculaires représente une approche expérimentale intégrant les différents facteurs hémodynamiques. Le système de perfusion (Ex Vivo Vein Support System) que nous avons élaboré conserve l'intégrité pariétale ainsi que les propriétés vasomotrices des veines pour une durée de 14 jours. Cette étude démontre que les deux modèles permettent le développement de l'hyperplasie intimale. Toutefois, les propriétés vasomotrices ainsi que l'influence des paramètres hémodynamiques ne peuvent être analysées que par l'utilisation du système de perfusion. Ce dernier a permis de perfuser des vaisseaux humains sans contamination bactérienne tout en maintenant l'intégrité cellulaire. Ce modèle de perfusion se rapproche plus des conditions hémodynamiques rencontrées in vivo que le modèle statique. Abstract : Background. Intimal hyperplasia (IH) is a vascular remodeling process which often leads to failure of arterial bypass or hemodialysis access. Experimental and clinical work have provided insight in IH development; however, further studies under precise con-trolled conditions are required to improve therapeutic strategies to inhibit IH development. Ex vivo perfusion of human vessel segments under standardized hemodynamic conditions may provide an adequate experimental approach for this purpose. Therefore, chronically perfused venous segments were studied and compared to traditional static culture procedures with regard to functional and histomorphologic characteristics as well as gene expression. Materials and methods. Static vein culture allowing high tissue viability was performed as previously described. Ex vivo vein support system (EVVSS) was performed using a vein support system consisting of an incubator with a perfusion chamber and a pump. EVVSS allows vessel perfusion under continuous flow while maintaining controlled hemodynamic conditions. Each human saphenous vein was divided in two parts, one cultured in a Pyrex dish and the other part perfused in EVVSS for 14 days. Testing of vasomotion, histomorphometry, expression of CD 31, Factor VIII, MIB 1, α-actin, and PAI-1 were determined before and after 14 days of either experimental conditions. Results, Human venous segments cultured under traditional or perfused conditions exhibited similar IH after 14 days as shown by histomorphometry. Smooth-muscle cell ( SMC) was preserved after chronic perfusion. Although integrity of both endothelial and smooth-muscle cells appears to be maintained in both culture conditions as confirmed by CD31, factor VIII and α-actin expression, a few smooth-muscle cells in the media stained positive for factor VIII. Cell-proliferation marker MIB-1 was also detected in the two settings and PAI-1 mRNA expression and activity increased significantly after 14 days of culture and perfusion. Conclusion. This study demonstrates the feasibility to chronically perfuse human vessels under sterile conditions with preservation of cellular integrity and vascular contractility. To gain insights into the mechanisms leading to IH, it will now be possible to study vascular remodeling not only under static conditions but also in hemodynamic environment mimicking as closely as possible the flow conditions encountered in reconstructive vascular surgery.