Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.

La reconnaissance des objets sonores chez l'humain

Abstract : This thesis investigated the spatio-temporal brain mechanisms of three processes involved in recognizing environmental sounds produced by living (animal vocalisations) and man-made (manufactured) objects: their discrimination, their plasticity, and the involvement of action representations. Results showed rapid brain discrimination between these categories beginning at ~70ms. Then, beginning at ~150ms, effects of plasticity are observed, without any influence of the categories of sounds. Both of these processes of discrimination and repetition priming involved brain structures located in temporal and frontal lobes. Activation of brain areas BA21 and BA22 suggest an access to semantic representations and/or linked to object manipulation. To investigate the involvement of action representations in sound recognition, analyses were restricted to sounds produced by man-made objects. Results suggest an access to representations linked to action functionally related to sound rather than to representations linked to action that produced sound. These effects occurred at ~300ms post-stimulus onset and involved differential activity brain regions attributed to the mirror neuron system. These data are discussed in regard to motor preparation of actions functionally linked to sounds. Collectively these data showed a sequential progression of cerebral activity underlying the recognizing of environmental sounds. The processes occurred firstly in a shared network of brain areas before propagating elsewhere and/or leading to differential activity in these structures. Cerebral responses observed in this work allowed establishing a dynamic model of discrimination of sounds produced by living and man-made objects.

On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Etude pilote par PET/CT de la réponse à l'ipilimumab dans le traitement du mélanome métastatique.

0 Abstract L'incidence du mélanome est en nette augmentation en Europe et aux Etats-Unis. La Chirurgie peut être curative au stade précoce de la maladie,la radiothérapie se pratique À visée palliative, les chimiothérapies n'ont montré que peu d'effet. Les progress actuels se font via l'immunothérapie. Des traitements par l'interleukine-2 et l'interféron-α se sont montrés efficaces chez certains patients, mais leur utilisation est limitée par leur forte toxicité. Depuis 2011, en Suisse, une nouvelle molécule a été mise sur le marché, l'ipilimumab (Yervoy®). Il s'agit d'un anticorps! monoclonal humain dirigé contre le CTLA4. Il en résulte une activation non spécifique du système immunitaire. Une étude randomisée de phase IIIa été conduite au Etats-Unis. Elle démontre une augmentation de la survie chez les patients atteints de melanoma métastatique traits par ipilimumab, sans traitement préalable des métastases. Le but de cette etude est de determiner s'il est possible, par le biais de l'imagerie PET-CTau 18F-FDG, de prédire la réponse individuelle au traitement par ipilimumab, afin d'optimiser la prise en charge de ces patients. 0.1 Méthode Les patients atteints de mélanome métastatique sont exposés au traitement d'ipilimumab selon les recommandations de Bristol-Myers Squibb. Puis ils effectuent des PET-CT au F-18-FDG selon! le! protocole (CER 400/11, annexé) de l'étude. Les images sont!analysées selon les critères PERCIST (PETResponse Criterias In Solid Tumors) et le TLG (Total Lesion Glycolysis) est calculé. Parallèlement, des prises de sang sont effectuées et les échantillons sont analysés à l'institut Ludwig (LICR, Unil) selon les critères imRC qui determinant la réponse immunologique au traitement. 0.2 Résultats Nous notons une discrépance dans les résultats. Lorsque nous observons une maladie stable avec les critères immunologiques imRC, nous observons une maladie progressive avec lescritères PERCIST. 0.3 Discussion - Conclusion Nous n'avons pu faire entrer que cinq patients dans l'étude, dont trois étaient vivants à trois mois, ce qui a restreint le nombre de données analysables. Les discrépances que nous observons dans nos résultats pourraient être dues au fait que le PET-CT au 18FDG ne nous permet pas de différencier l'activité tumorale de l'activité inflammatoire péri-tumorale. Ce biais pourrait être à l'avenir prévenu en utilisant du 18FLT, un marqueur plus sélectif des cellules tumorales.L'analyse desimages avec les critères de total-lesion glycolysis a été impossible au vu du nombre de lésions que présentaient certains patients. Les critères PERCIST exigent un protocole d'acquisition très strict. La corrélation entre les images, les données immunologiques et la clinique mérite d'être suivie sur le long terme, car il pourrait y avoir une réponse positive plus tardive du traitement par ipilimumab.

Facteurs endogènes et exogènes influençant l'écriture manuelle chez l'enfant

Introduction L'écriture manuelle fluide et automatisée constitue, avec la lecture, les fondements au développement des compétences scolaires. En effet, l'enfant peut développer le langage écrit avec l'acquisition de l'écriture, il a besoin d'une écriture manuelle automatisée lors d'évaluations scolaires écrites. De plus, la sollicitation de l'écriture manuelle augmente au cours de la scolarité, que ce soit au niveau de l'endurance, de la vitesse ou de la qualité. L'acquisition de l'écriture requiert des processus cognitifs, linguistiques et perceptivomoteurs, définis en tant que facteurs internes ou endogènes (Beeson et al., 2003) et résulte d'une démarche d'enseignement et d'un processus d'apprentissage constituant des facteurs externes ou exogènes. Les perturbations de l'acquisition de l'écriture sont nommées de différentes manières dans la littérature scientifique. Les chercheurs anglo-saxons convoquent la notion de faible écriture manuelle (poor handwriting), de troubles grapho-moteurs ou de difficultés d'écriture (Weintraub & Graham, 2000 ; Jongmans, Smits-Engelsman, & Schoemaker, 2003 ; Volman, van Schendel, &Jongmans, 2006) qui se caractérisent par une absence de régularité du tracé et/ ou de l'espace entre les mots, par des lettres ambiguës (Rosenblum, Weiss, & Parush, 2006). Les auteurs francophones, le plus souvent de formation médicale (Gubbay & de Klerk, 1995 ; Mazeau, 2005), utilisent plus fréquemment le diagnostic de dysgraphie qui renvoie à des difficultés d'assemblage de ronds et de traits pour former une lettre perturbant ainsi l'apprentissage de l'écriture (Mazeau, 2005). Selon Mazeau, la dysgraphie fait partie des troubles d'apprentissage. Les conséquences d'une faible écriture manuelle sont multiples. Si l'écriture n'est pas automatisée, l'enfant est placé dans une situation de double tâche nécessitant une attention focalisée à la fois sur l'acte d'écrire et sur le raisonnement nécessaire pour réaliser les exigences d'une tâche scolaire (Berningér et al., 1997). Si l'enfant se concentre sur la formation des lettres et le contrôle des mouvements, le raisonnement nécessaire à l'application de règles de grammaire et d'orthographe est perturbé tout comme la qualité des idées lors d'une composition. L'enfant présentant une écriture lente ne parviendra pas à finaliser son travail dans les situations de tests. Les difficultés d'écriture manuelle constituent un facteur de prédiction des troubles d'apprentissage (Harvey & Henderson, 1997 ; Simner, 1982) et elles sont fréquemment citées parmi les causes de la littératie. Car, comme le relèvent Berninger, Mizokawa et Bragg (1991), l'enfant présentant des difficultés d'écriture manuelle aura tendance à éviter toute activité d'écriture renforçant ainsi l'écart avec ses pairs dans ce domaine. Si ces comportements d'évitement se situent dans la période d'apprentissage de l'écriture, ils perturberont la mémorisation des lettres. En effet, la mémorisation des lettres est meilleure lorsque l'apprentissage se fait en situation d'écriture manuelle qu'en situation de lecture uniquement (Longcamp, Boucard, Guilhodes, & Velay, 2006). Par ailleurs, les épreuves dont la qualité de l'écriture est faible font l'objet d'évaluation moins favorable que celles dont l'écriture est plus facilement lisible. Les enseignants/es seraient alors moins persévérants/es dans leur lecture et plus sévères lors de la notation d'une rédaction. Ils, elles développeraient une faible perception des compétences en composition lorsqu'ils, elles sont confrontés/es à une épreuve dont la qualité est peu fluide et peu lisible (Alston & Taylor, 1987). L'identification des difficultés d'écriture peut se fairé de différentes manières (Kozatiek & Powell, 2002 ; Simons & Thijs, 2006 ). D'une part, l'appréciation de la qualité et de la vitesse d'écriture manuelle peut être subjective avec l'avis de l'enseignant et, d'autre part, objective avec l'utilisation de tests standardisés comportant des critères permettant de mesurer la vitesse et la qualité de l'écriture. Les conditions de passation des évaluations peuvent varier (copie, dictée ou composition) et influencer la vitesse et la qualité de l'écriture. La vitesse est moindre et la taille des lettres est inférieure en situation de composition qu'en situation de copie tandis que la régularité du tracé est plus stable en situation de copie que lors d'une composition. Si le dépistage et l'identification des difficultés d'écriture contribuent à la prévention de risques ultérieurs tels que de faibles compétence en littératie, la compréhension des causes de ces difficultés permettra le développement de moyens de remédiation de ces difficultés. Dans la littérature scientifique traitant de cette problématique, des facteurs endogènes ou exogènes peuvent être identifiés. Les facteurs endogènes regroupent autant la maturation développementale et le genre que les fonctions sensorimotrices telles que les dextérités manuelle et digitale, l'intégration visuomotrice, la visuoperception, l'attention visuelle et les fonctions cognitives. En outre, les troubles du développement tels qu'un trouble du langage, un déficit de l'attention ou un Trouble de l'acquisition de la coordination (TAC) (DSM-IV) (American Psychiatric Association, 2003) peuvent perturber l'acquisition de l'écriture. Les facteurs exogènes correspondent soit aux facteurs environnementaux tels que la position de l'enfant ou l'outil scripteur utilisé, soit aux modalités et à la durée de l'enseignement de l'écriture. En effet, la durée de l'enseignement de l'écriture et les modalités pédagogiques contribuent à marquer les différences interindividuelles pour la qualité et pour la vitesse de l'écriture. Actuellement, l'enseignement de l'écriture est, dans la plupart des programmes scolaires, intégré dans le cadre d'autres cours et ne fait pas l'objet d'un enseignement spécifique. Cette pratique entraîné un auto-apprentissage de la part de l'enfant et, par conséquent, un apprentissage implicite de l'écriture alors que les bénéfices d'un enseignement explicite ont été largement mis en évidence par Willingham et Goedert-Eschmann (1999). En effet, ces auteurs ont montré qu'un enseignement explicite favorise l'acquisition, la performance et le transfert d'apprentissage de manière plus importante que l'apprentissage implicite. Paradoxalement, alors que l'enseignement de l'écriture tend à être délaissé dans les programmes scolaires, les études mettant en évidence l'efficacité de l'enseignement de l'écriture (Berninger et al., 1997 ; Jongmans, Linthorst-Bakker, Westenberg & SmitsEngelsman et al., 2003 ; Schoemaker, Niemeijer, Reynders, & Smits-Engelsman , 2003) sont nombreuses. Leurs résultats montrent que l'enseignement d'une seule catégorie d'écriture (liée ou scripte) est plus efficace que l'enseignement de deux catégories d'écriture scripte en début d'apprentissage et écriture liée dans un second temps. Un enseignement régulier et intensif consacré à l'écriture au début de la scolarité va permettre une acquisition plus rapide de l'écriture et de la lecture (Graham & Weintraub, 1996 ; Denton, Cope & Moser, 2006). Selon Berninger, Abbot, Abbot, Graham et Richards (2002), la lecture et l'écriture devraient faire l'objet d'un enseignement coordonné et harmonisé. L'enseignement de l'écriture favorisant les liens avec les contextes d'utilisation de l'écriture montre une efficacité plus grande que lorsqu'il est déconnecté de son contexte (Denton, Cope, & Moser, 2006). L'enjeu d'une automatisation de l'écriture de qualité est important et relève d'une priorité afin de permettre aux enfants de développer de manière optimale leurs compétences académiques. Lorsque des troubles d'écriture sont constatés, l'identification des causes liées à ces difficultés tout comme une prise en charge spécifique faciliteront l'acquisition de cette compétence fondamentale (Berninger et al., 1997). Dans ces perspectives, cette thèse vise à identifier les facteurs endogènes et les facteurs exogènes intervenant dans l'écriture manuelle, que ce soit au niveau de la qualité ou de la vitesse de l'écriture. Au niveau théorique, elle développe l'étai des connaissances dans le domaine de l'écriture en neuropsychologie, en neurosciences et en sciences du mouvement humain. Elle présente, dans une perspective développementale, les modèles de l'apprentissage de l'écriture ainsi que les étapes d'acquisition de l'écriture tout en considérant les différences liées au genre. Ensuite, la description des difficultés d'écriture manuelle précède les moyens d'évaluation de l'écriture. Un chapitre est consacré aux fonctions perceptivomotrices et cognitives influençant l'écriture. Puis, comme les difficultés d'acquisition de l'écriture manuelle font partie du TAC, ce trouble est développé dans le chapitre 5. Enfin, les facteurs exogènes sont présentés dans le chapitre 6, ils comprennent les conditions environnementales (position de l'enfant, types de papiers, types d'outils scripteurs) ainsi que les dimensions d'un programme d'enseignement de l'écriture manuelle. Les effets des programmes de remédiation ou d'enseignement intensif de l'écriture sont traités en dernière partie du chapitre 6. Cette thèse est composée d'une partie de recherche fondamentale et d'une partie de recherche appliquée. La recherche fondamentale, qui comprend deux étapes d'investigation (Etudes 1 et 2), a pour objectifs d'identifier les facteurs endogènes prédictifs d'une écriture manuelle non performante (dextérités digitale et manuelle, intégration visuomotrice ou visuoperception) et d'investiguer les relations entre la lecture, l'attention visuelle, la mémoire audtive et l'écriture manuelle. De plus, elle déterminera la prévalence du TAC parmi les enfants présentant une faible écriture manuelle. La recherche appliquée comporte deux expérimentations. La première expérience a pour but de mesurer les effets d'un programme d'enseignement de l'écriture introduit en fin de deuxième année primaire visant à permettre aux enfants les plus faibles dans le domaine de l'écriture d'améliorer leurs performances. La seconde expérience analyse les effets d'un programme d'enseignement intensif de l'écriture manuelle qui s'est déroulé au début de la première année de scolarité obligatoire. L'acquisition de l'écriture est complexe tant au niveau du contróle moteur que du codage phonème -graphème ou de l'attention. L'écriture manuelle, en tant que compétence de base dans le développement des acquisitions scolaires, demeure tout au long de la scolarité et de la vie professionnelle, une compétence incontournable malgré le développement des nouvelles technologies. Remplir un formulaire, prendre des notes dans une séance ou à un cours, signer des documents, consigner des notes dans des dossiers, utiliser des écrans tactiles constituent des activités nécessitant une écriture manuelle fonctionnelle.