Implication du récepteur aux cannabinoïdes CB2 dans le développement de la voie rétinothalamique

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel.

Conséquences fonctionnelles de mutations affectant le récepteur de la vasopressine de type 2 et implications thérapeutiques

Le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) joue un rôle crucial dans l’homéostasie hydrique. Exprimé principalement au niveau du rein, son activation par l’hormone antidiurétique arginine-vasopressine (AVP) favorise la réabsorption d’eau, participant ainsi à diminuer la diurèse. Plus de 200 mutations dans le gène du V2R ont été associées au diabète néphrogénique insipide congénital (DINc), une maladie causée par une perte de fonction du récepteur. À l’opposé, trois mutations découvertes récemment induisent un gain de fonction du V2R, et sont la cause du syndrome néphrogénique de l’anti-diurèse inappropriée (NSIAD). Les travaux de cette thèse visent à mieux comprendre les bases moléculaires responsables de la perte ou du gain de fonction des récepteurs mutants associés à ces deux maladies. Dans plus de 50% des cas, les mutations faux-sens affectent négativement l’adoption d’une conformation native par le V2R, provoquant la reconnaissance et la rétention intracellulaire des mutants par le système de contrôle de qualité du réticulum endoplasmique. Nos résultats ont démontré que l’interaction entre les récepteurs mutants et le chaperon moléculaire calnexine est dépendante de N-glycosylation et que sa durée varie en fonction de la mutation. De plus, l’importance de cette modification co-traductionnelle et des interactions lectines-sucres dans le processus de maturation d’un mutant donné s’est avérée une caractéristique intrinsèque, puisque l’absence de N-glycosylation n’a pas affecté le mutant Y128S (phénotype léger) tandis que la maturation du mutant W164S (phénotype sévère) a été totalement abolie. Nos résultats suggèrent aussi que l’action des chaperons pharmacologiques (CP), molécules favorisant la maturation des mutants du V2R, peut survenir à différentes étapes au cours du processus de maturation, selon le mutant réchappé. Ces différences entre muta nts suggèrent des processus biosynthétiques ‘personnalisés’ dictés par la nature de la mutation impliquée et pourraient expliquer la différence de sévérité des manifestations cliniques chez les patients porteurs de ces mutations. Bien qu’une récupération de fonction ait été obtenue pour les mutants Y128S et W164S par un traitement au CP, il n’en est pas de même pour toutes les mutations occasionnant un défaut conformationnel. C’est ce que nous avons démontré pour le mutant V88M, affligé de deux défauts, soit une faible efficacité de maturation combinée à une basse affinité pour l’AVP. Dans ce cas, et malgré une augmentation du nombre de récepteurs mutants la surface cellulaire, la diminution de l’affinité apparente du récepteur mutant pour l’AVP a été exacerbée par la présence résiduelle de CP à son site de liaison, rendant impossible l’activation du récepteur aux concentrations physiologiques d’AVP. Les mutants R137C et R137L ont une activité constitutive élevée et mènent au NSIAD tandis que la substitution de cette même arginine par une histidine (R137H) mène au DINc. Ces trois mutants se sont avéré partager plusieurs caractéristiques, dont une efficacité de maturation réduite et une désensibilisation spontanée élevée. La seule différence iden tifiée entre ces mutants est leur niveau d’activité constitutive. Le CP utilisé dans nos études possède aussi la propriété d’agoniste inverse, mais n’a pourtant pas diminué l’activité constitutive des mutants R137C/L, suggérant une conformation active ‘figée’. Seul l’effet chaperon a été observé, entraînant la hausse de récepteurs à la surface cellulaire, qui se traduit par une augmentation de la production de second messager. Nous avons par contre suggéré l’utilisation d’AVP puisqu’il favorise l’endocytose des récepteurs R137/L sans promouvoir leur activation, diminuant ainsi le nombre de récepteurs actifs à la surface cellulaire. Nous avons identifié la première mutation occasionnant un gain de fonction du V2R qui n’implique pas l’arginine 137. Le mutant F229V a une activité constitutive élevée et, contrairement aux R137C et R137L, il n’est pas sujet à une désensibilisation spontanée accrue. L’observation que des agonistes inverses sont aptes à inhiber l’activité constitutive de ce nouveau mutant est une découverte importante puisque l’insuccès obtenu avec les mutations précédentes suggérait que ces molécules n’étaient pas utiles pour le traitement du NSIAD. Considérés globalement, ces travaux illustrent le caractère particulier des formes mutantes du V2R et l’importance de bien cerner les conséquences fonctionnelles des mutations afin d’apporter aux patients atteints de DINc ou NSIAD une thérapie personnalisée, et de développer de nouveaux agents thérapeutiques adaptés aux besoins.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Développement et caractérisation de ligands du récepteur à chimiokine CXCR4

Le récepteur à chimiokine CXCR4 est à ce jour l’un des récepteurs couplés aux protéines G les plus étudiés. Le CXCL12, sa chimiokine endogène induit l’activation de plusieurs voies de signalisation cruciales à plusieurs processus physiologiques. Par ailleurs, dans de nombreux processus pathologiques comme le cancer, le récepteur CXCR4 et/ou son ligand endogène sont surexprimés et facilite la dissémination et le maintien de conditions favorables à la prolifération cancéreuse. Afin d’étudier le récepteur CXCR4 et sa signalisation, notre approche vise à développer des ligands ciblant le CXCR4 en se basant sur CXCL12. Par des études de relation structure-activité et du design rationnel, nous avons conçu des chimères du CXCR4. Ces outils pharmacologiques nous permettent de mieux extraire les déterminants structuraux impliqués dans l’activation du CXCR4 mais aussi d’étudier les voies de signalisation associées à ces nouvelles entités chimiques. Nos données de relation structure-activité ont permis de mettre en évidence deux positions clés sur le N-terminal de nos chimères, la position 3 et la position 7 cruciales pour l’affinité et l’efficacité respectivement. Nous avons pu moduler l’efficacité ainsi que l’affinité de nos chimères en introduisant des acides aminés non naturels capables de potentialiser l’effet pharmacologique. Nous avons également corrélé nos résultats de SAR avec de la dynamique moléculaire réalisée à partir des deux structures cristallographiques du CXCR4. Nos données de dynamique moléculaire montrent des différences structurales importantes au niveau des domaines transmembranaires 3 et 7 en présence ou non de nos chimères. Par ailleurs, nous avons développé un nouveau déterminant avec des propriétés pharmacocinétiques améliorées comparativement au déterminant d’affinité des chimères de première génération. La caractérisation de ce déterminant a par ailleurs révélé son caractère agoniste inverse. Tous ces résultats apportent des éléments clés pour un meilleur design de molécules à visée thérapeutique ciblant le CXCR4.

Inverse analysis FOR two-dimensional structures using the boundary element method

Inverse analysis is currently an important subject of study in several fields of science and engineering. The identification of physical and geometric parameters using experimental measurements is required in many applications. In this work a boundary element formulation to identify boundary and interface values as well as material properties is proposed. In particular the proposed formulation is dedicated to identifying material parameters when a cohesive crack model is assumed for 2D problems. A computer code is developed and implemented using the BEM multi-region technique and regularisation methods to perform the inverse analysis. Several examples are shown to demonstrate the efficiency of the proposed model. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved,

Leak detection by inverse transient analysis in an experimental PVC pipe system

Leakage reduction in water supply systems and distribution networks has been an increasingly important issue in the water industry since leaks and ruptures result in major physical and economic losses. Hydraulic transient solvers can be used in the system operational diagnosis, namely for leak detection purposes, due to their capability to describe the dynamic behaviour of the systems and to provide substantial amounts of data. In this research work, the association of hydraulic transient analysis with an optimisation model, through inverse transient analysis (ITA), has been used for leak detection and its location in an experimental facility containing PVC pipes. Observed transient pressure data have been used for testing ITA. A key factor for the success of the leak detection technique used is the accurate calibration of the transient solver, namely adequate boundary conditions and the description of energy dissipation effects since PVC pipes are characterised by a viscoelastic mechanical response. Results have shown that leaks were located with an accuracy between 4-15% of the total length of the pipeline, depending on the discretisation of the system model.

A simple and effective inverse projection scheme for void distribution control in topology optimization

The ability to control both the minimum size of holes and the minimum size of structural members are essential requirements in the topology optimization design process for manufacturing. This paper addresses both requirements by means of a unified approach involving mesh-independent projection techniques. An inverse projection is developed to control the minimum hole size while a standard direct projection scheme is used to control the minimum length of structural members. In addition, a heuristic scheme combining both contrasting requirements simultaneously is discussed. Two topology optimization implementations are contributed: one in which the projection (either inverse or direct) is used at each iteration; and the other in which a two-phase scheme is explored. In the first phase, the compliance minimization is carried out without any projection until convergence. In the second phase, the chosen projection scheme is applied iteratively until a solution is obtained while satisfying either the minimum member size or minimum hole size. Examples demonstrate the various features of the projection-based techniques presented.

Inverse aerodynamic design applications using the MGM hybrid formulation

The well-known modified Garabedian-Mcfadden (MGM) method is an attractive alternative for aerodynamic inverse design, for its simplicity and effectiveness (P. Garabedian and G. Mcfadden, Design of supercritical swept wings, AIAA J. 20(3) (1982), 289-291; J.B. Malone, J. Vadyak, and L.N. Sankar, Inverse aerodynamic design method for aircraft components, J. Aircraft 24(2) (1987), 8-9; Santos, A hybrid optimization method for aerodynamic design of lifting surfaces, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 1993). Owing to these characteristics, the method has been the subject of several authors over the years (G.S. Dulikravich and D.P. Baker, Aerodynamic shape inverse design using a Fourier series method, in AIAA paper 99-0185, AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 1999; D.H. Silva and L.N. Sankar, An inverse method for the design of transonic wings, in 1992 Aerospace Design Conference, No. 92-1025 in proceedings, AIAA, Irvine, CA, February 1992, 1-11; W. Bartelheimer, An Improved Integral Equation Method for the Design of Transonic Airfoils and Wings, AIAA Inc., 1995). More recently, a hybrid formulation and a multi-point algorithm were developed on the basis of the original MGM. This article discusses applications of those latest developments for airfoil and wing design. The test cases focus on wing-body aerodynamic interference and shock wave removal applications. The DLR-F6 geometry is picked as the baseline for the analysis.

The generalized inverse Weibull distribution

The inverse Weibull distribution has the ability to model failure rates which are quite common in reliability and biological studies. A three-parameter generalized inverse Weibull distribution with decreasing and unimodal failure rate is introduced and studied. We provide a comprehensive treatment of the mathematical properties of the new distribution including expressions for the moment generating function and the rth generalized moment. The mixture model of two generalized inverse Weibull distributions is investigated. The identifiability property of the mixture model is demonstrated. For the first time, we propose a location-scale regression model based on the log-generalized inverse Weibull distribution for modeling lifetime data. In addition, we develop some diagnostic tools for sensitivity analysis. Two applications of real data are given to illustrate the potentiality of the proposed regression model.

A hybrid, inverse approach to the design of magnetic resonance imaging magnets

This paper describes a hybrid numerical method of an inverse approach to the design of compact magnetic resonance imaging magnets. The problem is formulated as a field synthesis and the desired current density on the surface of a cylinder is first calculated by solving a Fredholm equation of the first, kind. Nonlinear optimization methods are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current density. The field calculations are performed using a semi-analytical method. The emphasis of this work is on the optimal design of short MRI magnets. Details of the hybrid numerical model are presented, and the model is used to investigate compact, symmetric MRI magnets as well as asymmetric magnets. The results highlight that the method can be used to obtain a compact MRI magnet structure and a very homogeneous magnetic field over the central imaging volume in clinical systems of approximately 1 m in length, significantly shorter than current designs. Viable asymmetric magnet designs, in which the edge of the homogeneous region is very close to one end of the magnet system are also presented. Unshielded designs are the focus of this work. This method is flexible and may be applied to magnets of other geometries. (C) 2000 American Association of Physicists in Medicine. [S0094-2405(00)00303-5].

A time-harmonic inverse methodology for the design of RF coils in MRI

An inverse methodology is described to assist in the design of radio-frequency (RF) coils for magnetic resonance imaging (MRI) applications. The time-harmonic electromagnetic Green's functions are used to calculate current on the coil and shield cylinders that will generate a specified internal magnetic field. Stream function techniques and the method of moments are then used to implement this theoretical current density into an RF coil. A novel asymmetric coil operating for a 4.5 T MRI machine was designed and constructed using this methodology and the results are presented.

QUADRANT-SEARCHING: A NEW TECHNIQUE TO REDUCE THE SEARCH SPACE OF THE INVERSE PROBLEM OF EIT USING BEM TO THE DIRECT PROBLEM

The image reconstruction using the EIT (Electrical Impedance Tomography) technique is a nonlinear and ill-posed inverse problem which demands a powerful direct or iterative method. A typical approach for solving the problem is to minimize an error functional using an iterative method. In this case, an initial solution close enough to the global minimum is mandatory to ensure the convergence to the correct minimum in an appropriate time interval. The aim of this paper is to present a new, simple and low cost technique (quadrant-searching) to reduce the search space and consequently to obtain an initial solution of the inverse problem of EIT. This technique calculates the error functional for four different contrast distributions placing a large prospective inclusion in the four quadrants of the domain. Comparing the four values of the error functional it is possible to get conclusions about the internal electric contrast. For this purpose, initially we performed tests to assess the accuracy of the BEM (Boundary Element Method) when applied to the direct problem of the EIT and to verify the behavior of error functional surface in the search space. Finally, numerical tests have been performed to verify the new technique.

Prediction of impact forces in a vibratory ball mill using an inverse technique

To understand the dynamic mechanisms of the mechanical milling process in a vibratory mill, it is necessary to determine the characteristics of the impact forces associated with the collision events. However, it is difficult to directly measure the impact force in an operating mill. This paper describes an inverse technique for the prediction of impact forces from acceleration measurements on a vibratory ball mill. The characteristics of the vibratory mill have been investigated by the modal testing technique, and its system modes have been identified. In the modelling of the system vibration response to the impact forces, two modal equations have been used to describe the modal responses. The superposition of the modal responses gives rise to the total response of the system. A method based on an optimisation approach has been developed to predict the impact forces by minimising the difference between the measured acceleration of the vibratory ball mill and the predicted acceleration from the solution of the modal equations. The predicted and measured impact forces are in good agreement. Copyright (C) 1996 Elsevier Science Ltd.

Inverse relationship between markers of nitric oxide formation and plasma matrix metalloproteinase-9 levels in healthy volunteers

Background: Nitric oxide (NO) is a major regulator of cardiovascular homeostasis and has anti-atherogenic properties. Reduced NO formation is associated with endothelial dysfunction and with cardiovascular risk factors. Although NO downregulates the expression and activity of the pro-atherogenic enzyme matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), no previous clinical study has examined whether endogenous NO formation is inversely associated with the circulating levels of pro-MMP-9, which are associated with cardiovascular events. We examined this hypothesis in 175 healthy male subjects who were non-smokers. Methods: To assess NO bioavailability, the plasma concentrations of nitrite, nitrate, and cGMP were determined using an ozone-based chemiluminescence assay and an enzyme immunoassay. Pro-MMP-9 and pro-MMP-2 levels were measured in plasma samples by gelatin zymography. Results: We found significant negative correlations between pro-MMP-9 levels and plasma nitrite (P=0.035, rs=-0.159), nitrate (P=0.040, rs=-0.158), and cGMP (P=0.011, rs=-0.189) concentrations. However, no significant correlations were found between pro-MMP-2 levels and the plasma concentrations of markers of NO bioavailability (all P>0.05). Conclusions: There is an inverse relationship between markers of NO formation and plasma MMP-9 levels. This finding may shed some light on the possible mechanisms involved in the increased cardiovascular risk of apparently healthy subjects with low NO bioavailability or high circulating levels of pro-MMP-9. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.