On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

A new green fluorescent protein-based bacterial biosensor for analysing phenanthrene fluxes.

The polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-degrading strain Burkholderia sp. RP007 served as host strain for the design of a bacterial biosensor for the detection of phenanthrene. RP007 was transformed with a reporter plasmid containing a transcriptional fusion between the phnS putative promoter/operator region and the gene encoding the enhanced green fluorescent protein (GFP). The resulting bacterial biosensor--Burkholderia sp. strain RP037--produced significant amounts of GFP after batch incubation in the presence of phenanthrene crystals. Co-incubation with acetate did not disturb the phenanthrene-specific response but resulted in a homogenously responding population of cells. Active metabolism was required for induction with phenanthrene. The magnitude of GFP induction was influenced by physical parameters affecting the phenanthrene flux to the cells, such as the contact surface area between solid phenanthrene and the aqueous phase, addition of surfactant, and slow phenanthrene release from Model Polymer Release System beads or from a water-immiscible oil. These results strongly suggest that the bacterial biosensor can sense different phenanthrene fluxes while maintaining phenanthrene metabolism, thus acting as a genuine sensor for phenanthrene bioavailability. A relationship between GFP production and phenanthrene mass transfer is proposed.

Release of vancomycin and teicoplanin from a plasticized and resorbable gelatin sponge: in vitro investigation of a new antibiotic delivery system with glycopeptides.

BACKGROUND: The aim of this study was to evaluate the efficacy of sustained release of vancomycin and teicoplanin from a resorbable gelatin glycerol sponge, in order to establish a new delivery system for local anti-infective therapy. MATERIALS AND METHODS: 60 plasticized glycerol gelatin sponges containing either 10 or 20% gelatin (w/v) were incubated in vancomycin or teicoplanin solution at 20 degrees C for either 1 or 24 h. In vitro release properties of the sponges were investigated over a period of 1 week by determining the levels of vancomycin and teicoplanin eluted in plasma using fluorescent polarization immunoassay. The rate constant and the half-life for the antibiotic release of each group were calculated by linear regression assuming first order kinetics. RESULTS: Presoaking for 24 h was associated with a significant increase in the total antibiotic release in all groups opposed to 1 h of incubation, except for the 10% sponges presoaked in teicoplanin. Doubling the gelatin content of the sponges from 10 to 20% significantly increased the total release of antibiotic load only in teicoplanin-containing sponges after 24 h incubation. In all corresponding groups investigated, release of vancomycin was more prolonged compared to teicoplanin, which allowed a gradual release beyond 5 days. The half-life (h +/- SEM) of both types of vancomycin-containing sponges was significantly prolonged by 24 h incubation in comparison to 1 h incubation (29.1 +/- 5.9 vs 5.9 +/- 1.0; p < 0.001, 30.0 +/- 2.1 vs 11.1 +/- 1.9; p < 0.001). However, neither doubling the gelatin content of the sponges nor a prolonged incubation was associated with a significantly prolonged delivery of teicoplanin. CONCLUSION: This study demonstrated a better diffusion-controlled release of vancomycin-impregnated glycerol gelatin sponges compared to those pretreated with teicoplanin. The plasticized glycerol gelatin sponge may be a promising carrier for the application of vancomycin to infected wounds for local anti-infective therapy.

Influence de deux milieux séquentiels pour la culture d'embryons sur la production d'hormone gonadotrophine chorionique et de progestérone par des cellules JEG-3 et BeWo [Effects of different embryo development media on hCG and progesterone release by JEG-3 and BeWo cells]

Current in vitro fertilisation (IVF) practice requires synchronisation between the¦environment of cultured oocytes and embryos and the surroundings to what they would have¦been exposed to in vivo. Commercial, sequential media follow this requirement but their exact¦composition is not available. We have compared two widely used IVF culture media systems using¦the two choriocarcinoma cell lines JEG-3 and BeWo. The two hormones hCG and progesterone¦were determined in the culture supernatants as endpoints. In both cell lines, but in a more¦pronounced way in JEG-3, progesterone rather than hCG production was stimulated, and a¦higher hormone release was observed in the fertilisation than in the cleavage media. Differences¦between manufacturers were small and did not favour one system over the other. We conclude¦that both sequential media systems can be equally well used in current IVF laboratory practice.¦© 2012 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

The role of the hypothalamic kisspeptin/GPR54 system in the control of GnRH neurons

Summary : The hypothalamus represents less than 1 % of the total volume of the brain tissue, yet it plays a crucial role in endocrine regulations. Puberty is defined as a process leading to physical, sexual and psychosocial maturation. The hypothalamus is central to this process, via the activation of GnRH neurons. Pulsatile GnRH secretion, minimal during childhood, increases with the onset of puberty. The primary function of GnRH is to regulate the growth, development and function of testes in boys and ovaries in girls, by stimulating the pituitary gland secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Several factors contribute to the timing of puberty, including sex and ethnicity, genetics, dietary intake and energy expenditure. Kisspeptins constitute a family of small peptides arising from the proteolytic cleavage of metastin, a peptide with 54 amino acids initially purified from human placenta. These kisspeptins were the subject of much attention following their discovery because of their antimetastatic properties, but it was more recently that their determining role in the reproductive function was demonstrated. It was shown that kisspeptins are ligands of a receptor, GPR54, whose natural inactivating mutation in humans, or knockout in the mouse, lead to infertility. GnRH neurons play a pivotal role in the central regulation of fertility. Kisspeptin greatly increases GnRH release and GnRH neuron firing activity, but the neurobiological mechanisms for these actions are unknown. Gprotein-coupled receptor 54, the receptor for kisspeptin, is expressed by GnRH neurons as well as other hypothalamic neurons, suggesting that both direct and indirect effects are possible. In the first part of my thesis, we investigated a possible connection between the acceleration of sexual development induced by leptin and hypothalamic metastin neurons. However, the data generated by our preliminary experiments confirmed that the commercially available antibodies are non-specific. This finding constituted a major drawback for our studies, which relied heavily upon the neuroanatomical study of the hypothalamic metastinergic pathways to elucidate their sensitivity to exogenous leptin. Therefore, we decided to postpone any further in vivo experiment until a better antibody becomes available, and focused on in vitro studies to better understand the mechanisms of action of kisspeptins in the modulation of the activity of GnRH neurons. We used two GnRH-expressing neuronal cell lines to investigate the cellular and molecular mechanisms of action of metastin in GnRH neurons. We demonstrated that kisspeptin induces an early activation of the MAP kinase intracellular signaling pathway in both cell lines, whereas the SAP/JNK or the Akt pathways were unaffected. Moreover, we found an increase in GnRH mRNA levels after 6h of metastin stimulation. Thus, we can conclude that kisspeptin regulates GnRH neurons both at the secretion and the gene expression levels. The MAPK pathway is the major pathway activated by metastin in GnRH expressing neurons. Taken together, these data provide the first mechanism of action of kisspeptin on GnRH neurons. Résumé : L'hypothalamus est une zone située au centre du cerveau, dont il représente moins de 1 du volume total. La puberté est la période de transition entre l'enfance et l'age adulte, qui s'accompagne de transformations somatiques, psychologiques, métaboliques et hormonales conduisant à la possibilité de procréer. La fonction principale de la GnRH est la régulation de la croissance, du développement et de la fonction des testicules chez les hommes, et des ovaires chez les femmes en stimulant la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) et de l'hormone folliculostimulante (FSH) par la glande hypophysaire. Plusieurs facteurs contribuent au déclanchement de la puberté, y compris le sexe et l'appartenance ethnique, la génétique, l'apport alimentaire et la dépense énergétique. Les Kisspeptines constituent une famille de peptides résultant de la dissociation proteolytique de la métastine, un peptide de 54 acides aminés initialement purifié à partir de placenta humain. Ces kisspeptines ont fait l'objet de beaucoup d'attention à la suite de leur découverte en raison de leurs propriétés anti-metastatiques, et c'est plus récemment que leur rôle déterminant dans la fonction reproductive a été démontré. Les kisspeptines sont des ligands du récepteur GPR54, dont la mutation inactivatrice chez l'homme, ou le knockout chez la souris, conduisent à l'infertilité par hypogonadisme hypogonadotrope. Les neurones à GnRH jouent un rôle central dans le règlement des fonctions reproductrices et la kisspeptine stimule l'activité des neurones à GnRH et la libération de GnRH par ces neurones. Toutefois, les mécanismes neurobiologiques de ces actions ne sont pas connus. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le lien potentiel entre l'accélération du développement sexuel induite par la leptine et les neurones hypothalamiques à metastine. Les données générées dans cette première série d'expériences ont malheureusement confirmé que les anticorps anti-metastine disponibles dans le commerce sont aspécifiques. Ceci a constitué un inconvénient majeur pour nos études, qui devaient fortement s'appuyer sur l' étude neuroanatomique des neurones hypothalamiques à metastine pour évaluer leur sensibilité à la leptine exogène. Nous avons donc décidé de focaliser nos travaux sur une étude in vitro des mécanismes d'action de la kisspeptine pour moduler l'activité des neurones à GnRH. Nous avons utilisé deux lignées de cellules neuronales exprimant la GnRH pour étudier les mécanismes d'action cellulaires et moléculaires de la metastine dans des neurones. Nous avons ainsi pu démontrer que la kisspeptine induit une activation précoce de la voie f de signalisation de la MAP kinase dans les deux lignées cellulaires, alors que nous n'avons observé aucune activation de la voie de signalisation de la P13 Kinase et de la SAP/JNK. Nous avons en outre démontré une augmentation de l'expression de la GnRH par la stimulation avec la Kisspeptine. L'ensemble de ces données contribue à élucider le mécanisme d'action avec lequel la kisspeptine agit dans les neurones à GnRH, en démontrant un effet sur l'expression génique de la GnRH. Nous pouvons également conclure que la voie de la MAPK est la voie principale activée par la metastine dans les neurones exprimant la GnRH.

Automatic measurement of key ski jumping phases and temporal events with a wearable system.

We propose a new method, based on inertial sensors, to automatically measure at high frequency the durations of the main phases of ski jumping (i.e. take-off release, take-off, and early flight). The kinematics of the ski jumping movement were recorded by four inertial sensors, attached to the thigh and shank of junior athletes, for 40 jumps performed during indoor conditions and 36 jumps in field conditions. An algorithm was designed to detect temporal events from the recorded signals and to estimate the duration of each phase. These durations were evaluated against a reference camera-based motion capture system and by trainers conducting video observations. The precision for the take-off release and take-off durations (indoor < 39 ms, outdoor = 27 ms) can be considered technically valid for performance assessment. The errors for early flight duration (indoor = 22 ms, outdoor = 119 ms) were comparable to the trainers' variability and should be interpreted with caution. No significant changes in the error were noted between indoor and outdoor conditions, and individual jumping technique did not influence the error of take-off release and take-off. Therefore, the proposed system can provide valuable information for performance evaluation of ski jumpers during training sessions.

INTERCELLULAR AND SYSTEM-LEVEL ASPECTS OF THE METABOLIC INTERACTIONS BETWEEN NEURONS AND GLIA

Quand on parle de l'acide lactique (aussi connu sous le nom de lactate) une des premières choses qui vient à l'esprit, c'est son implication en cas d'intense activité musculaire. Sa production pendant une activité physique prolongée est associée avec la sensation de fatigue. Il n'est donc pas étonnant que cette molécule ait été longtemps considérée comme un résidu du métabolisme, possiblement toxique et donc à éliminer. En fait, il a été découvert que le lactate joue un rôle prépondérant dans le métabolisme grâce à son fort potentiel énergétique. Le cerveau, en particulier les neurones qui le composent, est un organe très gourmand en énergie. Récemment, il a été démontré que les astrocytes, cellules du cerveau faisant partie de la famille des cellules gliales, utilisent le glucose pour produire du lactate comme source d'énergie et le distribue aux neurones de manière adaptée à leur activité. Cette découverte a renouvelé l'intérêt scientifique pour le lactate. Aujourd'hui, plusieurs études ont démontré l'implication du lactate dans d'autres fonctions de la physiologie cérébrale. Dans le cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés au rapport entre neurones et astrocytes avec une attention particulière pour le rôle du lactate. Nous avons découvert que le lactate possède la capacité de modifier la communication entre les neurones. Nous avons aussi décrypté le mécanisme grâce auquel le lactate agit, qui est basé sur un récepteur présent à la surface des neurones. Cette étude montre une fonction jusque-là insoupçonnée du lactate qui a un fort impact sur la compréhension de la relation entre neurones et astrocytes. - Relatively to its volume, the brain uses a large amount of glucose as energy source. Furthermore, a tight link exists between the level of synaptic activity and the consumption of energy equivalents. Astrocytes have been shown to play a central role in the regulation of this so-called neurometabolic coupling. They are thought to deliver the metabolic substrate lactate to neurons in register to glutamatergic activity. The astrocytic uptake of glutamate, released in the synaptic cleft, is the trigger signal that activates an intracellular cascade of events that leads to the production and release of lactate from astrocytes. The main goal of this thesis work was to obtain detailed information on the metabolic and functional interplay between neurons and astrocytes, in particular on the influence of lactate besides its metabolic effects. To gain access to both spatial and temporal aspects of these dynamic interactions, we used optical microscopy associated with specific fluorescent indicators, as well as electrophysiology. In the first part of this thesis, we show that lactate decreases spontaneous neuronal, activity in a concentration-dependent manner and independently of its metabolism. We further identified a receptor-mediated pathway underlying this modulatory action of lactate. This finding constituted a novel mechanism for the modulation of neuronal transmission by lactate. In the second part, we have undergone a characterization of a new pharmacological tool, a high affinity glutamate transporter inhibitor. The finality of this study was to investigate the detailed pharmacological properties of the compound to optimize its use as a suppressor of glutamate signal from neuron to astrocytes. In conclusion, both studies have implications not only for the understanding of the metabolic cooperation between neurons and astrocytes, but also in the context of the glial modulation of neuronal activity. - Par rapport à son volume, le cerveau utilise une quantité massive de glucose comme source d'énergie. De plus, la consommation d'équivalents énergétiques est étroitement liée au niveau d'activité synaptique. Il a été montré que dans ce couplage neurométabolique, un rôle central est joué par les astrocytes. Ces cellules fournissent le lactate, un substrat métabolique, aux neurones de manière adaptée à leur activité glutamatergique. Plus précisément, le glutamate libéré dans la fente synaptique par les neurones, est récupéré par les astrocytes et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires qui conduit à la production et libération de lactate. Les travaux de cette thèse ont visé à étudier la relation métabolique et fonctionnelle entre neurones et astrocytes, avec une attention particulière pour des rôles que pourrait avoir le lactate au-delà de sa fonction métabolique. Pour étudier les aspects spatio-temporels de ces interactions dynamiques, nous avons utilisé à la fois la microscopie optique associée à des indicateurs fluorescents spécifiques, ainsi que l'électrophysiologie. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que le lactate diminue l'activité neuronale spontanée de façon concentration-dépendante et indépendamment de son métabolisme. Nous avons identifié l'implication d'un récepteur neuronal au lactate qui sous-tend ce mécanisme de régulation. La découverte de cette signalisation via le lactate constitue un mode d'interaction supplémentaire et nouveau entre neurones et astrocytes. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé un outil pharmacologique, un inhibiteur des transporteurs du glutamate à haute affinité. Le but de cette étude était d'obtenir un agent pharmacologique capable d'interrompre spécifiquement le signal médié par le glutamate entre neurones et astrocytes pouvant permettre de mieux comprendre leur relation. En conclusion, ces études ont une implication non seulement pour la compréhension de la coopération entre neurones et astrocytes mais aussi dans le contexte de la modulation de l'activité neuronale par les cellules gliales.

A biodegradable drug delivery system for the treatment of postoperative inflammation

Cataract surgery is often performed in patients suffering from associated pathologies. Our goal is to develop a biodegradable drug delivery system (DDS) combined with the artificial intraocular lens (IOL). DDS were manufactured using poly(D,L-lactide-co-glycolide), or PLGA, and were loaded with triamcinolone acetonide (TA). The loading capacity was approximately 1050 microg of TA per DDS. The higher the molecular weight of PLGA (34,000, 48,000 and 80,000Da), the slower was the release of TA in vitro. Cataract surgery was performed on the right eye of rabbits. IOL was inserted with (i) no DDS, (ii) unloaded DDS PLGA48000, (iii) one loaded DDS PLGA48000, (iv) two loaded DDS. The number of inflammatory cells and the protein concentration were measured in the aqueous humor (AH). Unloaded DDS showed good ocular biocompatibility. One DDS PLGA48000 loaded with TA significantly reduced postoperative ocular inflammation. Two loaded DDS PLGA48000 was even more effective in inhibiting such inflammation. On long-term observation (days 63 and 84), reduction of inflammation could be obtained by insertion of one DDS PLGA48000 and a second DDS PLGA80000. Therefore, our "all in one" system is very promising since it could replace oral treatment and reduce the number of intraocular injections

5-HT2A and alpha1b-adrenergic receptors entirely mediate dopamine release, locomotor response and behavioural sensitization to opiates and psychostimulants.

Addictive properties of drugs of misuse are generally considered to be mediated by an increased release of dopamine (DA) in the ventral striatum. However, recent experiments indicated an implication of alpha1b-adrenergic receptors in behavioural responses to psychostimulants and opiates. We show now that DA release induced in the ventral striatum by morphine (20 mg/kg) is completely blocked by prazosin (1 mg/kg), an alpha1-adrenergic antagonist. However, morphine-induced increases in DA release in the ventral striatum were found to be similar in mice deleted for the alpha1b-adrenergic receptor (alpha1b-AR KO) and in wild-type (WT) mice, suggesting the presence of a compensatory mechanism. This acute morphine-evoked DA release was completely blocked in alpha1b-AR KO mice by SR46349B (1 mg/kg), a 5-HT2A antagonist. SR46349B also completely blocked, in alpha1b-AR KO mice, the locomotor response and the development of behavioural sensitization to morphine (20 mg/kg) and D-amphetamine (2 mg/kg). Accordingly, the concomitant blockade of 5-HT2A and alpha1b-adrenergic receptors in WT mice entirely blocked acute locomotor responses but also the development of behavioural sensitization to morphine, D-amphetamine or cocaine (10 mg/kg). We observed, nevertheless, that inhibitory effects of each antagonist on locomotor responses to morphine or D-amphetamine were more than additive (160%) in naïve WT mice but not in those sensitized to either drug. Because of these latter data and the possible compensation by 5-HT2A receptors for the genetic deletion of alpha1b-adrenergic receptors, we postulate the existence of a functional link between these receptors, which vanishes during the development of behavioural sensitization.

Microglial reaction induced by noncytotoxic methylmercury treatment leads to neuroprotection via interactions with astrocytes and IL-6 release.

Microglial cells react early to a neurotoxic insult. However, the bioactive factors and the cell-cell interactions leading to microglial activation and finally to a neuroprotective or neurodegenerative outcome remain to be elucidated. Therefore, we analyzed the microglial reaction induced by methylmercury (MeHgCl) using cell cultures of different complexity. Isolated microglia were found to be directly activated by MeHgCl (10(-10) to 10(-6) M), as indicated by process retraction, enhanced lectin staining, and cluster formation. An association of MeHgCl-induced microglial clusters with astrocytes and neurons was observed in three-dimensional cultures. Close proximity was found between the clusters of lectin-stained microglia and astrocytes immunostained for glial fibrillary acidic protein (GFAP), which may facilitate interactions between astrocytes and reactive microglia. In contrast, immunoreactivity for microtubule-associated protein (MAP-2), a neuronal marker, was absent in the vicinity of the microglial clusters. Interactions between astrocytes and microglia were studied in cocultures treated for 10 days with MeHgCl. Interleukin-6 release was increased at 10(-7) M of MeHgCl, whereas it was decreased when each of these two cell types was cultured separately. Moreover, addition of IL-6 to three-dimensional brain cell cultures treated with 3 x 10(-7) M of MeHgCl prevented the decrease in immunostaining of the neuronal markers MAP-2 and neurofilament-M. IL-6 administered to three-dimensional cultures in the absence of MeHgCl caused astrogliosis, as indicated by increased GFAP immunoreactivity. Altogether, these results show that microglial cells are directly activated by MeHgCl and that the interaction between activated microglia and astrocytes can increase local IL-6 release, which may cause astrocyte reactivity and neuroprotection.

Trait decoupling promotes evolutionary diversification of the trophic and acoustic system of damselfishes.

Trait decoupling, wherein evolutionary release of constraints permits specialization of formerly integrated structures, represents a major conceptual framework for interpreting patterns of organismal diversity. However, few empirical tests of this hypothesis exist. A central prediction, that the tempo of morphological evolution and ecological diversification should increase following decoupling events, remains inadequately tested. In damselfishes (Pomacentridae), a ceratomandibular ligament links the hyoid bar and lower jaws, coupling two main morphofunctional units directly involved in both feeding and sound production. Here, we test the decoupling hypothesis by examining the evolutionary consequences of the loss of the ceratomandibular ligament in multiple damselfish lineages. As predicted, we find that rates of morphological evolution of trophic structures increased following the loss of the ligament. However, this increase in evolutionary rate is not associated with an increase in trophic breadth, but rather with morphofunctional specialization for the capture of zooplanktonic prey. Lineages lacking the ceratomandibular ligament also shows different acoustic signals (i.e. higher variation of pulse periods) from others, resulting in an increase of the acoustic diversity across the family. Our results support the idea that trait decoupling can increase morphological and behavioural diversity through increased specialization rather than the generation of novel ecotypes.

Adenosine A2B receptor-mediated leukemia inhibitory factor release from astrocytes protects cortical neurons against excitotoxicity.

ABSTRACT: BACKGROUND: Neuroprotective and neurotrophic properties of leukemia inhibitory factor (LIF) have been widely reported. In the central nervous system (CNS), astrocytes are the major source for LIF, expression of which is enhanced following disturbances leading to neuronal damage. How astrocytic LIF expression is regulated, however, has remained an unanswered question. Since neuronal stress is associated with production of extracellular adenosine, we investigated whether LIF expression in astrocytes was mediated through adenosine receptor signaling. METHODS: Mouse cortical neuronal and astrocyte cultures from wild-type and adenosine A2B receptor knock-out animals, as well as adenosine receptor agonists/antagonists and various enzymatic inhibitors, were used to study LIF expression and release in astrocytes. When needed, a one-way analysis of variance (ANOVA) followed by Bonferroni post-hoc test was used for statistical analysis. RESULTS: We show here that glutamate-stressed cortical neurons induce LIF expression through activation of adenosine A2B receptor subtype in cultured astrocytes and require signaling of protein kinase C (PKC), mitogen-activated protein kinases (MAPKs: p38 and ERK1/2), and the nuclear transcription factor (NF)-κB. Moreover, LIF concentration in the supernatant in response to 5'-N-ethylcarboxamide (NECA) stimulation was directly correlated to de novo protein synthesis, suggesting that LIF release did not occur through a regulated release pathway. Immunocytochemistry experiments show that LIF-containing vesicles co-localize with clathrin and Rab11, but not with pHogrin, Chromogranin (Cg)A and CgB, suggesting that LIF might be secreted through recycling endosomes. We further show that pre-treatment with supernatants from NECA-treated astrocytes increased survival of cultured cortical neurons against glutamate, which was absent when the supernatants were pre-treated with an anti-LIF neutralizing antibody. CONCLUSIONS: Adenosine from glutamate-stressed neurons induces rapid LIF release in astrocytes. This rapid release of LIF promotes the survival of cortical neurons against excitotoxicity.

Controlled nerve growth factor release from multi-ply alginate/chitosan-based nerve conduits.

The delivery kinetics of growth factors has been suggested to play an important role in the regeneration of peripheral nerves following axotomy. In this context, we designed a nerve conduit (NC) with adjustable release kinetics of nerve growth factor (NGF). A multi-ply system was designed where NC consisting of a polyelectrolyte alginate/chitosan complex was coated with layers of poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) to control the release of embedded NGF. Prior to assessing the in vitro NGF release from NC, various release test media, with and without stabilizers for NGF, were evaluated to ensure adequate quantification of NGF by ELISA. Citrate (pH 5.0) and acetate (pH 5.5) buffered saline solutions containing 0.05% Tween 20 yielded the most reliable results for ELISA active NGF. The in vitro release experiments revealed that the best results in terms of reproducibility and release control were achieved when the NGF was embedded between two PLGA layers and the ends of the NC tightly sealed by the PLGA coatings. The release kinetics could be efficiently adjusted by accommodating NGF at different radial locations within the NC. A sustained release of bioactive NGF in the low nanogram per day range was obtained for at least 15days. In conclusion, the developed multi-ply NGF loaded NC is considered a suitable candidate for future implantation studies to gain insight into the relationship between local growth factor availability and nerve regeneration.

Molecular determinants of vesicular storage and release of the gliotransmitter D-serine from cortical astrocytes

Neuron-astrocyte reciprocal communication at synapses has emerged as a novel signalling pathway in brain function. Astrocytes sense the level of synaptic activity and, in turn, influence its efficacy through the regulated release of 'gliotransmitters' such as glutamate, ATP or D-serine. A calcium-dependent exocytosis is proposed to drive the release of gliotransmitters but its existence is still debated. Over the last years, we have been studying the molecular determinants governing D-serine release from glia using different approaches. Using a novel bioassay for D-serine, we have been able to show that D-serine release occurs mainly through a calcium- and SNARE proteindependent mechanism just supporting the idea that this amino acid is released by exocytosis from glia. We next have pursued our exploration by confocal imaging and tracking of the exocytotic routes for Dserine- mediated gliotransmission and have shown that D-serine releasable pools are confined to synaptobrevin2/cellubrevin-bearing vesicles. To shed light onto the mechanisms controlling the storage and the release of gliotransmitters and namely D-serine, we have developed a new method for the immunoisolation of synaptobrevin 2- positive vesicles from rat cortical astrocytes in culture while preserving their content in gliotransmitters. The purified organelles are clear round shape vesicles of excellent purity with homogeneous size (40 nm) as judged by electron microscopy. Immunoblotting analysis revealed that isolated vesicles contain most of the major proteins already described for neuron-derived vesicles like synaptic vesicle protein 2 (SV2) and the proton pump H?-ATPase. In addition, we have analyzed the content for various amino acids of these vesicles by means of chiral capillary electrophoresis coupled to laser-induced fluorescence detection. The purified vesicles contain large amount of D-serine. We also detect peaks corresponding to unidentified compounds that may correspond to others amino acids. Postembedding immunogold labelling of the rat neocortex further revealed the expression of D-serine in astrocytes processes contacting excitatory synapses. Finally, we have examined the uptake properties for Dserine and glutamate inside the isolated glial vesicles. Our results provide significant support for the existence of an uptake system for D-serine in secretory glial vesicles and for the storage of chemical substances like D-serine and glutamate. 11th International Congress on Amino Acids, Peptides and Proteins 763 123