Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Relationship between autonomic neuropathy and thermogenesis in non diabetic and diabetic obese patients.

Autonomic neuropathy is a well known complication of diabetes. Diabetes is often superimposed on obesity. A reduction in the variability of the heart rate in the resting state has been demonstrated in 16 obese diabetic subjects as well as in 34 obese non-diabetic subjects. The coefficient of variation (CV) of the heart rate during 30 minutes of resting was significantly decreased in both obese groups (3.9 +/- 0.2% for the diabetics; 5.2 +/- 0.2%, p less than 0.01 for the non diabetics) as compared to their own controls (4.5 +/- 0.6% and 6.5 +/- 0.4%, respectively). Age also contributes to decreased heart rate variability. Furthermore, this defect of autonomic function has been correlated with the blunted glucose-induced thermogenesis (GIT) seen in both obese groups (r = 0.52, p. less than 0.001): the increase in energy expenditure over basal values following a 100 g oral glucose load was only 4.8 +/- 0.8% for the diabetic obese group (p less than 0.001), and 8.5 +/- 0.7% for the non-diabetic obese group (p less than 0.001) as opposed to their own controls (12.4 +/- 1.3% and 13.3 +/- 0.6% respectively). Measurement of the variability of heart rate in obese individuals may be of predictive value in assessing blunted glucose-induced thermogenesis in non diabetic and diabetic obese patients.

METABOLIC EFFECTS OF DIETARY PROTEINS

SUMMARY :Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is characterized by an elevated intra- hepatocellular lipid (IHCL) concentration (> 5%). The incidence of NAFLD is frequently increased in obese patients, and is considered to be the hepatic component of the metabolic syndrome. The metabolic syndrome, also characterized by visceral obesity, altered glucose homeostasis, insulin resistance, dyslipidemia, and high blood pressure, represents actually a major public health burden. Both dietary factors and low physical activity are involved in the development of the metabolic syndrome. ln animals and healthy humans, high-fat or high-fructose diets lead to the development of several features of the metabolic syndrome including increased intrahepatic lipids and insulin resistance. ln contrast the effects of dietary protein are less well known, but an increase in protein intake has been suggested to exert beneficial effects by promoting weight loss and improving glucose homeostasis in insulin-resistant patients. Increased postprandial thermogenesis and enhanced satiety after protein ingestion may be both involved. The effects of dietary protein on hepatic lipids have been poorly investigated in humans, but preliminary studies in rodents have shown a reduction of hepatic lipids in carbohydrate fed rats and in obese rats. ln this context this work aimed at investigating the metabolic effects of dietary protein intake on hepatic lipid metabolism and glucose homeostasis in humans. The modulation by dietary proteins of exogenous lipid oxidation, net lipid oxidation, hepatic beta-oxidation, triglycerides concentrations, whole-body energy expenditure and glucose tolerance was assessed in the fasting state and in postprandial states. Measurements of IHCL were performed to quantify the amount of triglycerides in the liver. ln an attempt to cover all these metabolic aspects under different point of views, these questions were addressed by three protocols involving various feeding conditions. Study I addressed the effects of a 4-day hypercaloric high-fat high-protein diet on the accumulation of fat in the liver (IHCL) and on insulin sensitivity. Our findings indicated that a high protein intake significantly prevents intrahepatic fat deposition induced by a short- term hypercaloric high-fat diet, adverse effects of which are presumably modulated at the liver level.These encouraging results led us to conduct the second study (Study ll), as we were also interested in a more clinical approach to protein administration and especially if increased protein intakes might be of benefit for obese patients. Therefore the effects of one-month whey protein supplementation on IHCL, insulin sensitivity, lipid metabolism, glucose tolerance and renal function were assessed in obese women. Results showed that whey protein supplementation reduces hepatic steatosis and improves the plasma lipid profile in obese patients, without adverse effects on glucose tolerance or creatinine clearance. However since patients were fed ud-libitum, it remains possible that spontaneous carbohydrate and fat intakes were reduced due to the satiating effects of protein. The third study (Study lll) was designed in an attempt to deepen our comprehension about the mechanisms involved in the modulation of IHCL. We hypothesized that protein improved lipid metabolism and, therefore, we evaluated the effects of a high protein meal on postprandial lipid metabolism and glucose homeostasis after 4-day on a control or a protein diet. Our results did not sustain the hypothesis of an increased postprandial net lipid oxidation, hepatic beta oxidation and exogenous lipid oxidation. Four days on a high-protein diet rather decreased exogenous fat oxidation and enhanced postprandial triglyceride concentrations, by impairing probably chylomicron-TG clearance. Altogether the results of these three studies suggest a beneficial effect of protein intake on the reduction in lHCL, and clearly show that supplementation of proteins do not reduce IHCL by stimulating lipid metabolism, e.g. whole body fat oxidation, hepatic beta oxidation, or exogenous fat oxidation. The question of the effects of high-protein intakes on hepatic lipid metabolism is still open and will need further investigation to be elucidated. The effects of protein on increased postprandial lipemia and lipoproteins kinetics have been little investigated so far and might therefore be an interesting research question, considering the tight relationship between an elevation of plasmatic TG concentrations and the increased incidence of cardiovascular diseases.Résumé :La stéatose hépatique non alcoolique se caractérise par un taux de lipides intra-hépatiques élevé, supérieur à 5%. L'incidence de la stéatose hépatique est fortement augmentée chez les personnes obèses, ce qui mène à la définir comme étant la composante hépatique du syndrome métabolique. Ce syndrome se définit aussi par d'autres critères tels qu'obésité viscérale, altération de l'homéostasie du glucose, résistance à l'insuline, dyslipidémie et pression artérielle élevée. Le syndrome métabolique est actuellement un problème de santé publique majeur.Tant une alimentation trop riche et déséquilibrée, qu'une faible activité physique, semblent être des causes pouvant expliquer le développement de ce syndrome. Chez l'animal et le volontaire sain, des alimentations enrichies en graisses ou en sucres (fructose) favorisent le développement de facteurs associés au syndrome métabolique, notamment en augmentant le taux de lipides intra-hépatiques et en induisant le développement d'une résistance à l'insuline. Par ailleurs, les effets des protéines alimentaires sont nettement moins bien connus, mais il semblerait qu'une augmentation de l'apport en protéines soit bénéfique, favorisant la perte de poids et l'homéostasie du glucose chez des patients insulino-résistants. Une augmentation de la thermogenese postprandiale ainsi que du sentiment de satiété pourraient en être à l'origine.Les effets des protéines sur les lipides intra-hépatiques chez l'homme demeurent inconnus à ce jour, cependant des études préliminaires chez les rongeurs tendent à démontrer une diminution des lipides intra hépatiques chez des rats nourris avec une alimentation riche en sucres ou chez des rats obèses.Dans un tel contexte de recherche, ce travail s'est intéressé à l'étude des effets métaboliques des protéines alimentaires sur le métabolisme lipidique du foie et sur l'homéostasie du glucose. Ce travail propose d'évaluer l'effet des protéines alimentaires sur différentes voies métaboliques impliquant graisses et sucres, en ciblant d'une part les voies de l'oxydation des graisses exogènes, de la beta-oxydation hépatique et de l'oxydation nette des lipides, et d'autre part la dépense énergétique globale et l'évolution des concentrations sanguines des triglycérides, à jeun et en régime postprandial. Des mesures des lipides intra-hépatiques ont aussi été effectuées pour permettre la quantification des graisses déposées dans le foie.Dans le but de couvrir l'ensemble de ces aspects métaboliques sous différents angles de recherche, trois protocoles, impliquant des conditions alimentaires différentes, ont été entrepris pour tenter de répondre à ces questions. La première étude (Etude I) s'est intéressée aux effets d'u.ne suralimentation de 4 jours enrichie en graisses et protéines sur la sensibilité à l'insuline et sur l'accumulation de graisses intra-hépatiques. Les résultats ont démontré que l'apport en protéines prévient l'accumulation de graisses intra-hépatiques induite par une suralimentation riche en graisses de courte durée ainsi que ses effets délétères probablement par le biais de mécanismes agissant au niveau du foie. Ces résultats encourageants nous ont conduits à entreprendre une seconde étude (Etude ll) qui s'intéressait à l'implication clinique et aux bénéfices que pouvait avoir une supplémentation en protéines sur les graisses hépatiques de patients obèses. Ainsi nous avons évalué pendant un mois de supplémentation l'effet de protéines de lactosérum sur le taux de graisses intrahépatiques, la sensibilité à l'insuline, la tolérance au glucose, le métabolisme des graisses et la fonction rénale chez des femmes obèses. Les résultats ont été encourageants; la supplémentation en lactosérum améliore la stéatose hépatique, le profil lipidique des patientes obèses sans pour autant altérer la tolérance au glucose ou la clairance de la créatinine. L'effet satiétogene des protéines pourrait aussi avoir contribué à renforcer ces effets. La troisième étude s'est intéressée aux mécanismes qui sous-tendent les effets bénéfiques des protéines observés dans les 2 études précédentes. Nous avons supposé que les protéines devaient favoriser le métabolisme des graisses. Par conséquent, nous avons cherché a évaluer les effets d'un repas riche en protéines sur la lipémie postprandiale et l'homéostasie glucidique après 4 jours d'alimentation contrôlée soit isocalorique et équilibrée, soit hypercalorique enrichie en protéines. Les résultats obtenus n'ont pas vérifié l'hypothèse initiale ; ni une augmentation de l'oxydation nette des lipides, ni celle d'une augmentation de la béta-oxydation hépatique ou de l'oxydation d'un apport exogène de graisses n'a pu étre observée. A contrario, il semblerait même plutôt que 4 jours d'a]irnentation hyperprotéinée inhibent le métabolisme des graisses et augmente les concentrations sanguines de triglycérides, probablement par le biais d'une clairance de chylornicrons altérée. Globalement, les résultats de ces trois études nous permettent d'attester que les protéines exercent un effet bénéfique en prévenant le dépot de graisses intra-hépatiques et montrent que cet effet ne peut être attribué à une stimulation du métabolisme des lipides via l'augmentation des oxydations des graisses soit totales, hépatiques, ou exogènes. La question demeure en suspens à ce jour et nécessite de diriger la recherche vers d'autres voies d'exploration. Les effets des protéines sur la lipémie postprandiale et sur le cinétique des lipoprotéines n'a que peu été traitée à ce jour. Cette question me paraît néanmoins importante, sachant que des concentrations sanguines élevées de triglycérides sont étroitement corrélées à une incidence augmentée de facteurs de risque cardiovasculaire.

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

Production endogène de Nortestostérone chez l'homme et influence de l'activité physique et du régime alimentaire

RESUME Depuis les années 1980, les stéroïdes androgéniques anabolisants (SAA) sont restés les produits dopants les plus utilisés par les sportifs. Les propriétés principales attribuées à ces substances sont une augmentation de la masse et de la force musculaire ainsi qu'une agressivité supérieure pouvant s'avérer bénéfique lors des entraînements ou des compétitions. En plus de cette "tradition" liée à la consommation des SAA, une autre problématique est apparue dans le monde antidopage suite à la fulgurante expansion de l'utilisation des compléments alimentaires par les athlètes professionnels et amateurs. Dès la fin des années 1990, une recrudescence de cas positifs de dopage aux SAA a été attribuée à la contamination des compléments alimentaires par des composés anabolisants tels que la testostérone ou la nandrolone ou par des prohormones se situant en amont dans le métabolisme de certains SAA et conduisant à la présence, dans les urines, de traces de substances interdites par l'Agence Mondiale Antidopage (AMA). Afin de mettre en garde les autorités antidopage ainsi que les athlètes quant aux problèmes liés aux compléments alimentaires, le Laboratoire Suisse d'Analyse du Dopage (LAD) a décidé d'étudier de manière plus précise la composition d'une centaine de produits accessibles en Suisse par l'intermédiaire d'internet. Cette étude a permis de mettre en évidence un taux de non conformité des produits avoisinant les 20%, avec une contamination plus importante des produits contenant des hormones ou des prohormones. La consommation de doses journalières recommandées des produits contaminés a mené à la détection dans les urines de la présence de substances interdites par l'AMA. Ces résultats confirment ainsi que l'usage de compléments alimentaires peut s'avérer dangereuse dans le cadre de contrôles antidopage et que les effets sur l'état physique et mental des athlètes peuvent dépasser les effets désirés et être dramatiques pour la poursuite d'une carrière sportive. D'autre part, cela démontre que l'alimentation peut mener à la présence urinaire de substances proscrites telles que les métabolites de la nandrolone, la 19-norandrostéreone (19-NA) et la 19-norétiocholanolone (19-NE). Afin de démontrer un effet potentiel de l'exercice physique sur l'excrétion urinaire des métabolites de la nandrolone, une première étude clinique a été réalisée avec 34 volontaires. Deux doses orales de nandrolone marquée avec deux atomes de C13 ont été administrées aux sujets. Les urines ont été récoltées durant les 5 jours suivant les prises orales (études d'excrétion) ainsi qu'avant et après les 8 séances d'entraînements du protocole. Les analyses des études d'excrétion ont permis d'établir une variabilité intra- et inter-individuelle du métabolisme et de la pharmacocinétique de la 19-NA et de la 19-NE. En dépit de la rapide élimination urinaire des métabolites de la nandrolone C13, les analyses des échantillons prélevés avant et après les différents efforts n'ont pas révélé une influence nette de l'exercice physique sur les concentrations urinaires de la 19-NA et 19-NE. Une seconde étude clinique a été effectuée, avec la participation de 30 volontaires. Il s'agissait de déterminer si la consommation de multiples doses orales d'un décanoate de testostérone, de 19-norandrostenedione (un précurseur de la nandrolone) ou de placebo durant un mois, pouvait avoir des effets bénéfiques sur la récupération et la performance physique. En parallèle, les sujets étaient soumis à un entrainement d'endurance intense et individualisé. Divers paramètres physiologiques ont été étudiés dans le sérum et les urines afin de mettre en évidence une meilleure récupération de l'organisme. Aucun de ses paramètres n'a permis de conclure que la consommation orale de SAA est favorable pour optimaliser les capacités de récupération des athlètes. De plus, les performances physiques ont été évaluées avant et après l'entraînement et le traitement. Aucune différence significative n'a été démontrée entre les trois groupes de volontaires. L'état psychologique des volontaires a été évalué à l'aide de questionnaires (short Profile of Mood State, sPOMS) remplis à trois reprises au cours du protocole. De manière générale, l'évolution observée est une augmentation de la fatigue avec une diminution de la vigueur. Des analyses statistiques ont révélé que des prises orales de testostérone, et dans une moindre mesure de 19-norandrostenedione, ont une légère influence sur cette évolution générale en diminuant les effets de l'entrainement sur le profil psychologique. Les urines récoltées durant le protocole ont été analysées par GC/C/IRMS et GCMS afin de détecter les variations des concentrations des hormones liées au métabolisme de la testostérone. Les résultats ont démontré une variabilité interindividuelle du métabolisme de la testostérone qui implique que les critères de positivité imposés par l'AMA ne sont pas forcément valables pour tous les individus. La détection de la 19-NA et de la 19-NE, issus du métabolisme in vivo de la 19norandrostenedione, a confirmé les résultats obtenus sur la pharmacocinétique et le métabolisme de la nandrolone C13 obtenus lors de la première étude clinique. Ce travail a permis de clarifier certains points en lien avec l'abus de la nandrolone dans le sport et notamment par rapport à la consommation de compléments alimentaires. Les deux études cliniques n'ont pas véritablement apporté les réponses souhaitées aux hypothèses de départ. Cependant certains aspects intéressants en relation avec le métabolisme des SAA ont été découverts et pourront peut-être permettre à la lutte antidopage d'évoluer vers une meilleure efficacité. SUMMARY Since 1980's, anabolic androgenic steroids (AAS) are still the most used doping agents in sports. The main properties attributed to these substances are an increase of muscle mass and strength and also a higher aggressiveness that could be beneficial during trainings and competitions. In addition to this "tradition" linked to the AAS intake, another problematics has raised in the antidoping field. Indeed, nutritional supplements have been more and more used by professional and amateur athletes. Since the end of the 1990's, an outburst of positive doping cases with AAS has been attributed to nutritional supplements contaminations with anabolic compounds like testosterone or nandrolone or with prohormones located above in the metabolism of some AAS and prompting urinary traces of forbidden compounds by the World Antidoping Agency (WADA). In order to inform the antidoping authorities and the athletes about the problems linked to the nutritional supplements, the Swiss Laboratory for Doping Analyses (LAD) decided to investigate more precisely the composition of about hundred products accessible in Switzerland through different web sites. This study showed that about 20% of the products were not conformed to the composition announced by the manufacturers. The oral intake of daily recommended doses of the contaminated products revealed the presence in urines of forbidden substances by the WADA. Hence, these results confirm that the use of nutritional supplements can lead to adverse analytical findings in antidoping controls and that the effects on athletes' physical and mental state could be different from the ones desired and could be dramatic for the continuation of an athlete's career. Moreover, this demonstrates that the diet can lead to the presence in urines of proscribed substances like nandrolone metabolites, i.e. 19-norandrosterone (19-NA) and 19-noretiocholanolone (19-NE). To put forward a potential effect of physical exercise on urinary nandrolone metabolites excretion rate, a first clinical study was done with 34 volunteers. Two oral doses of nandrolone labelled with two C13 atoms were administered to the subjects. The urines were collected during the 5 days following the treatment (excretion studies) and before and after the 8 exercise sessions of the protocol. The analyses of excretion studies revealed an intra- and inter-individual variability of the metabolism and the pharmacokinetics of 19-NA and 19-NE. In spite of the rapid urinary elimination of the nandrolone C13 metabolites, the analyses of the urine samples gathered before and after efforts did not show a clear influence of physical exercise on the urinary 19-NA and 19-NE concentrations. A second clinical study was done with the participation of 30 volunteers. The main aim was to determine if multiple oral doses of testosterone undecanoate, 19-norandrostenedione (a nandrolone precursor) or placebo during one month, could have beneficial effects on recovery and physical performance. Meanwhile, the individuals had to follow an intense and personalized endurance training program. Several physiological parameters were investigated in serum and urines in order to demonstrate a better organism's recovery. None of these parameters lead to the conclusion that oral intake of AAS is useful to optimise the recovery capacities of athletes. In addition, physical performances were evaluated before and after the training and treatment month. No significant difference was shown between the three volunteers groups. The psychological state of the volunteers was assessed through questionnaires (short Profile of Mood State, sP4MS) filled three times during the protocol. The global evolution is an increase of fatigue with an decrease of vigour. Statistical analyses revealed that the oral intake of testosterone, and to a lesser extent of 19= norandrostenedione, have a small influence on this general evolution in decreasing the effect of training on the psychological profile. The urines collected during the protocol were analysed by GC/C/IRMS and GCMS to detect concentrations variations of hormones related to the testosterone metabolism. The results revealed an interindividual variability of testosterone metabolism which implies that the guidance concerning endogenous steroids prescribed by the WADA are not uniformly valid for all individuals. Detection of 19-NA and 19-NE, coming from the in vivo metabolism of 19norandrostenedione, confirmed the results previously obtained on the pharamcokinetics and metabolism of the nandrolone C13 in the first clinical study. This work allowed to clarify some aspects linked to nandrolone abuse in sports and noteworthy related to nutritional supplements intake. The two clinical studies did not really bring plain answers to the basal hypotheses but some interesting aspects in relation with AAS metabolism were put forth and would perhaps allow an evolution of a more effective fight against doping.

Traumatologie de la personne âgée : une urgence nutritionnelle ? [Elderly orthopedic patients: Is nutritional support needed?]

La fracture de hanche chez la personne âgée reste un problème de santé publique. Elle est la conséquence d'une chute neuf fois sur dix et survient chez des personnes fragilisées par une ostéoporose, une sarcopénie, une dénutrition. Dans un service de traumatologie, la dénutrition protéino-énergétique est fréquente. Présente dès l'admission chez environ un patient sur deux, elle va souvent s'aggraver pendant le séjour hospitalier et favoriser la survenue de complications. Une prise en charge nutritionnelle doit impliquer une équipe multidisciplinaire qu'il faut coordonner. Elle doit être envisagée précocement pendant le séjour hospitalier et privilégier la voie orale. L'assistance nutritionnelle sous forme de CNO a prouvé son efficacité dans la réduction de la morbidité postopératoire. Son impact sur la mortalité, sur le pronostic fonctionnel et social reste discuté. Il faudra attendre l'étude de nouvelles cohortes dans lesquelles la compliance au traitement est nettement améliorée avant de conclure de manière définitive.

Place des apports oraux en acides gras oméga-3 dans la mucoviscidose [Relevance of omega-3 fatty acid oral supplementation in cystic fibrosis]

Chronic inflammation and fatty acid deficiency, in particular in docosahexaenoic acid (DHA, C22:6-n3), occurring in cystic fibrosis patients, are two convincing arguments urging the use of polyunsaturated fatty acids (PUFA) omega-3 in this population. PUFA omega-3 oral dietary intake position in the cystic fibrosis treatment is however not clear despite many years of clinical research. This review article sets out the reasons that conduct nutritionists to try this approach and reviews the results published until nowadays.

Physiology of GLP-1--lessons from glucoincretin receptor knockout mice.

GLP-1 has both peripheral and central actions, as this hormone is secreted by gut endocrine cells and brainstem neurons projecting into the hypothalamus and other brain regions. GLP-1 has multiple regulatory functions participating in the control of glucose homeostasis, beta-cell proliferation and differentiation, food intake, heart rate and even learning. GLP-1 action depends on binding to a specific G-coupled receptor linked to activation of the adenylyl cyclase pathway. Analysis of mice with inactivation of the GLP-1 receptor gene has provided evidence that absence of GLP-1 action in the mouse, despite this hormone potent physiological effects when administered in vivo, only leads to mild abnormalities in glucose homeostasis without any change in body weight. However, a critical role for this hormone and its receptor was demonstrated in the function of the hepatoportal vein glucose sensor, in contrast to that of the pancreatic beta-cells, although absence of both GLP-1 and GIP receptors leads to a more severe phenotype characterized by a beta-cell-autonomous defect in glucose-stimulated insulin secretion. Together, the studies of these glucoincretin receptor knockout mice provide evidence that these hormones are part of complex regulatory systems where multiple redundant signals are involved.

Changes in insulin secretion and glucose metabolism induced by dexamethasone in lean and obese females

Résumé But: Chez les individus sveltes et en bonne santé, les modifications de la sensibilité à l'insuline secondaires à l'administration de dexaméthasone pendant deux jours sont compensées par une modification de la sécrétion d'insuline, permettant le maintien de l'homéostasie glucidique. Cette étude évalue les modifications du métabolisme glucidique et de la sécrétion d'insuline induites par une administration limitée de dexaméthasone chez les femmes obèses. Méthode de recherche: Onze femmes obèses ayant une tolérance au glucose normale ont été étudiées à deux reprises, 1° sans dexaméthasone et 2° après deux jours d'administration de dexaméthasone à faible dose. Un clamp hyperglycémique comportant deux plateaux (taux plasmatique de glucose à 7.5, respectivement 10 mM) avec du glucose marqué (6.6 ²H2 glc) a été utilisé pour déterminer la sécrétion d'insuline et le métabolisme du glucose du corps entier. Les résultats ont été comparés à ceux d'un groupe de huit femmes sveltes. Résultats : Sans dexaméthasone, les femmes obèses avaient un taux d'insuline plasmatique supérieur à jeun, durant le premier pic de sécrétion d'insuline, et aux deux plateaux hyperglycémiques. Elles avaient toutefois un métabolisme glucidique normal comparé à celui des femmes sveltes, ce qui indique une compensation adéquate. Après administration de la dexaméthasone, les femmes obèses avaient une augmentation du taux d'insuline plasmatique de 66 à 92%, mais une baisse de stockage du glucose de 15.4%. Ceci contrastait avec l'augmentation du taux d'insuline plasmatique de 91 à 113% chez les femmes sveltes et l'absence de changement de stockage du glucose du corps entier. Discussion : L'administration de dexaméthasone conduit à une baisse significative du stockage du glucose du corps entier pour une glycémie fixée chez les femmes obèses mais non chez les femmes sveltes. Ceci indique que les femmes obèses sont incapables d'accroître adéquatement leur sécrétion d'insuline. Abstract: Objective: In healthy lean individuals, changes in insulin sensitivity occurring as a consequence of a 2-day dexamethasone administration are compensated for by changes in insulin secretion, allowing glucose homeostasis to be maintained. This study evaluated the changes in glucose metabolism and insulin secretion induced by short-term dexamethasone administration in obese women. Research Methods and Procedures: Eleven obese women with normal glucose tolerance were studied on two occasions, without and after 2 days of low-dose dexamethasone administration. A two-step hyperglycemic clamp (7.5 and 10 mr1/1 glucose) with 6,6 2H2 glucose was used to assess insulin secretion and whole body glucose metabolism. Results were compared with those obtained in a group of eight lean women. Results: Without dexamethasone, obese women had higher plasma insulin concentrations in the fasting state, during the first phase of insulin secretion, and at the two hyperglycemic plateaus. However, they had normal whole body glucose metabolism compared with lean women, indicating adequate compensation. After dexamethasone, obese women had a 66% to 92% increase in plasma insulin concentrations but a 15.4% decrease in whole body glucose disposal. This contrasted with lean women, who had a 91% to 113% increase in plasma insulin concentrations, with no change in whole body glucose disposal. Discussion: Dexamethasone administration led to a significant reduction in whole body glucose disposal at fixed glycemia in obese but not lean women. This indicates that obese women are unable to increase their insulin secretion appropriately.

Peroxisome proliferator activated receptor BETA/DELTA as a central player in the skin response to ultra-violets radiation

Previous studies in the lab of Dr. Liliane Michalik, have shown thai the nuclear hormone receptor Peroxisome Proliferator Activated Receptor beta/delta (PPARß/ö) is an important regulator of skin homeostasis, being involved in the regulation of keratinocyte differentiation, inflammation, apoptosis, arid mouse skin wound healing. Studies of PPARß/ö knock out mice have suggested a possible role for this receptor in cancer. However, contradictory observations of the role for PPARß/ö on tumor growth have been published, depending on cellular contexts and biological models. Given the controversial role of PPARß/ö in skin carcinoma development, the main aim of this PhD work has been to further explore the implication of PPARß/ö in skin response to UV and skin tumor growth. This PhD dissertation is divided in four chapters. The first chapter describes the core part of the project, where I explored the changes in miRNA expression in the skin upon chronic UV irradiation of PPARß/ö wild type and knock-out mice. This analysis shed light on a miRNA- PPARß/ö signature and also predicted thai miR-21-3p (previously named miR-21*) is a key regulator of the PPARß/ö-dependent UV response in the pre-lesiona! skin. Using mice acutely UV-irradiated, ! further demonstrated that miR-21-3p is indirectly regulated by PPARß/ö through activation of Transforming Growth Factor (TGFß)-1 under UV exposure. I also show that miR-21-3p is deregulated in human cutaneous squamous celi carcinoma. In cultured keratinocytes, application of a miR-21 -3p mimic oligonucleotide sequence leads to the regulation of lipid metabolism-related pathway. In the second chapter, I demonstrate that the usage of an mRNA/miRNA combined bioinformatics analysis leads to the discovery of important pathways involved in the PPARß/ö-miRNA response of the skin to chronic UV irradiation, indeed, I validated angiogenesis and lipid metabolism as important functions regulated by PPARß/ö in this context. In the third chapter, we demonstrate that PPARß/5 knockout mice have decreased cutaneous squamous cell carcinomas incidence compared to wild type mice and that PPARß/5 directly activates the cSrc kinase gene. In the last chapter, we review novel insights into PPAR functions in keratinocytes and liver, with emphasis on PPARß/ö but also on PPARa. In summary, this PhD study shows that i) PPARß/5 is able to regulate biological function through regulation of miRNAs, and specifically through miR-21-3p, the passenger miRNA of the oncomiR miR-21, and that ii) the PPARß/5-dependent skin response to UV involves the regulation of angiogenesis and lipid metabolism. Furthermore, the bioinformatics study highlights the relevance of performing integrated mRNA and miRNA genome-wide studies in order to better screen mRNAs and/or miRNAs of interest in the biological context of diseases. - Des études préalables dans le laboratoire du Dr. Liliane Michalik ont démontré que le récepteur nucléaire PPARß/5 est un régulateur important de l'homéostasie de la peau, étant impliqué dans la régulation de la différenciation des keratinocytes, dans l'inflammation, dans l'apoptose et dans la cicatrisation de la peau chez !a souris. L'étude de souris knock-out pour le gène PPARß/5, ont suggérées un rôle possible de ce récepteur dans le cancer. Cependant, des observations opposées ont été publiées suggérant un rôle pro- ou anti- cancer selon le tissue impliqué et le type- cellulaire. En considérant cette controverse autour du rôle de PPARß/5 dans le développement des cancers de la peau, le but principal de mon projet de recherche aura été d'approfondir l'exploration du rôle de PPARß/5 dans la réponse de la peau aux UVs et dans le développement du cancer. Cette dissertation de thèse est divisée en quatre parties. Une première partie, représentant le coeur de mon travail de recherche, décrit la découverte de l'implication des microRNAs (rniRNAs) dans la réponse aux UVs de PPARß/ö et plus spécifiquement l'implication du miRNA miR- 21 -3p (précédemment nommé miR-21*). En étudiant un modèle de souris irradiées de manière aigüe aux UVs, nous montrons que ia régulation de miR-21-3p est PPARß/ö-däpenaante et que cette régulation à lieu par l'intermédiaire du facteur de transcription TGFß-1. Dans des cultures de keratinocytes Humains, la transfecticn d'une séquence oligonucléotidique similaire à celle de miR-21-3p (mimic), montre l'implication de rniR-21-3p dans des fonctions importantes pour le développement des cancers telles que le métabolisme des lipides. Dans un second chapitre, nous montrons que l'usage d'une méthode bioinformatique combinant l'expression des ARN messagers et des miRNAs permet de mettre en évidence des fonctions biologiques importantes lors de ia réponse de PPARß/ö à l'irradiation chronique. L'angiogenèse, le stress oxydatif et le métabolisme des lipides font partie de ces fonctions régulées par PPARß/5 dans la peau irradiée aux UVs. Nous mettons également en évidence la régulation du gène LpcatS par PPARß/5 dans la peau irradiée aux UV ainsi que dans des keratinocytes humains suggérant un rôle pour PPARß/5 dans le remodelage des lipides membranaires. Dans une troisième partie, nous établissons un lien entre la régulation de l'oncogène Src et l'activation de PPARß/5 dans les carcinomes spinocellulaires de la peau. Finalement dans un quatrième chapitre, nous faisons une revue des dernières recherches portées sur le rôle de PPARß/5 et de PPARa dans le foie et ia peau. En résumé ce projet de thèse représente un avancement pour la recherche sur rimplication de PPARß/5 dans la réponse aux UVs de la peau. Pour la première fois, un lien est établi entre ce facteur de transcription et la régulation de microRNAs dans le cadre du carcinome spinocellulare. Jusqu'alors resté dans l'ombre de rniR-21-5p, miR-21-3p est en fait fortement augmenté à la fois dans un modèle de souris d'irradiation aux UVs ainsi que dans ie carcinome spinocellulare chez i'humain. De nouvelles fonctions biologiques pour PPARß/5 ont été également mises en évidence dans ce travail, comme la régulation de l'angiogenèse ou du métabolisme des lipides dans Sa peau. De plus cette dissertation valorise l'intérêt d'une association entre le travail de laboratoire et celui de la bioinformatique.