Les hépatopathies diffuses représentent un problème de santé mondial majeur, avec des complications importantes, une morbidité et une mortalité élevées. Cette thèse se concentre sur la stéatose, la surcharge en fer hépatique et la fibrose hépatique. Pour ces pathologies, la quantification précise de la graisse hépatique, du fer et de la fibrose est cruciale pour le diagnostic, l'évaluation pronostique, la gestion du traitement et le suivi. Compte tenu des limites de la biopsie hépatique, des biomarqueurs non invasifs basés sur l'IRM tels que PDFF, R2* et la rigidité ont été rapidement développés. La thèse est structurée en trois chapitres, correspondant à la quantification de la graisse, du fer et de la fibrose hépatiques. Chaque chapitre inclut une étude associée. L’annexe présente le logiciel gratuit MRQuantif, qui permet la quantification de la graisse et du fer. Dans l'ensemble, l'IRM quantitative pour la mesure de la graisse, du fer et de la fibrose hépatiques a été largement validée pour son caractère non invasif, sa précision et sa reproductibilité.

Le carcinome hépatocellulaire (CHC), le principal cancer primitif du foie, reste difficile à détecter aux stades précoces d’où la nécessité de concevoir de nouveaux outils de détection, par exemple par une approche de vectorisation. Nous avons sélectionné deux peptides présentant un tropisme hépatocytaire : le GBVA10-9, inhibant partiellement l’infection par le virus d’hépatite C, et le peptide CPB qui correspond à un fragment de la protéine circumsporozoïte de Plasmodium berghei impliquée dans l’infection hépatocytaire. Nous les avons radiomarqués au cuivre-64 et au gallium-68 et étudié leur tropisme vers des cellules d’hépatomes humains et murin in vitro et dans un modèle de CHC chez la souris.Nous avons montré que le GBV10-9 radiomarqué est mieux capté par les cellules d’hépatome par rapport au CPB. Parallèlement, j’ai caractérisé la captation de nanoparticules (NPs) polymères formulées à partir de l’homopolymère poly(malate de benzyle) (PMLABe73) et/ou de son dérivé amphiphile pegylé (PEG42-b-PMLABe73) par les cellules hépatiques, les macrophages et les cellules mononucléées du sang périphérique puis étudié l’impact de la fonctionnalisation des NPs par le peptide GBVA10-9 sur cette captation.

Nous avons recherché des peptides pour fonctionnaliser des nanoparticules (NPs) formulées à partir de poly(malate de benzyle) (PMLABe) et de dérivés copolymères afin d’améliorer l’internalisation des NPs par les cellules d’hépatome in vitro. Le choix de ces (co)polymères était justifié par le fait que leur synthèse est bien maitrisée et qu’ils sont dénués de toxicité vis-à-vis des cellules hépatiques. Nous avons greffé des peptides biotinylés à la surface des NPs préparées à partir de dérivés du poly(éthylène glycol) (PEG)-b-PMLABe également biotinylés, par l’intermédiaire de la streptavidine, puis réalisé le criblage d’une collection de peptides « hépatotropes » de synthèse choisis à partir de données de la littérature. Deux peptides augmentent considérablement la captation des NPs par les cellules d’hépatome humain : les peptides GBVA10-9 et CPB. Le peptide GBVA10-9 est connu pour inhiber l’infection des hépatocytes humains par le virus de l’hépatite C, et le peptide CPB correspond à un fragment de la protéine circumsporozoite (CSP) de Plasmodium berghei impliquée dans l’infection hépatocytaire par le parasite. Nous avons également caractérisé l’internalisation des mêmes peptides, cette fois, liés uniquement à la streptavidine fluorescente, produisant un peptide modifié « modèle ». Les peptides GBVA10-9 et CPB étaient les plus efficaces pour accroître l’internalisation du complexe peptide-streptavidine. Parallèlement à ces travaux de fonctionnalisation des NPs, nous avons débuté des expériences d’encapsulation de molécules à potentiel anticancéreux, une nouvelle classe de composés organométalliques cytotoxiques et les effets sur la survie de cellules in vitro ont été évalués.

Les patients alités et les astronautes en microgravité font face à une inactivité physique extrême (IPE), entraînant une anémie et une atrophie musculaire. L'hémoglobine des globules rouges et la myoglobine musculaire, essentielles au transport et au stockage de l'oxygène, détiennent la majorité du fer corporel. Le fer, ainsi que l'ensemble des métaux essentiels, constituent le métallome, qui est indispensable à de nombreuses fonctions biologiques. Son altération pourrait contribuer à la réduction des capacités physiques et fonctionnelles de l'astronaute et aggraver l'état de santé des patients alités. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier la régulation du métabolisme du fer et des métaux non-ferreux chez les hommes et les femmes exposés au contexte de microgravité simulée. En nous appuyant sur des modèles cliniques et pré- cliniques, nos travaux mettent en évidence une altération du métabolisme du fer chez les deux sexes exposés à l’IPE. L'érythrophagocytose semble être la source majeure d'une accumulation du fer splénique chez l'homme, et dans des compartiments encore non identifiés chez les femmes. A contrario, le muscle atrophié semble ne pas contribuer à cette redistribution et séquestrerait son fer. Finalement, les deux sexes soumis à l’IPE présentent une altération du métallome hépatique, tandis que le métallome musculaire est modifié en fonction du sexe et de la typologie du muscle. L'ensemble de ce travail met en avant l'importance d'étudier les modifications du métallome humain en IPE et les mécanismes sous-jacents pour, in fine proposer une prise en charge personnalisée de l'astronaute et du patient alité.

Dans le cadre d’un précédent projet, nous avons pu mettre en évidence que de jeunes femmes adultes, confrontées à des situations émotionnelles négatives, pouvaient présenter une consommation alimentaire excessive, ceci étant défini comme hyperphagie émotionnelle (HE). L’HE peut être un facteur de risque à moyen terme, si répétée, concourant à l’établissement de troubles du comportement alimentaire, eux-mêmes pouvant mener à plus long terme à la mise en place de pathologies liées à l’alimentation : désordres métaboliques, obésité, diabète de type 2. Une intervention préventive pour limiter l’HE serait donc recommandée pour empêcher l’établissement de ces pathologies. Le fait qu’une situation émotionnelle délétère induise une augmentation momentanée de la consommation alimentaire suggère une implication de structures cérébrales impliquées dans la motivation alimentaire (striatum ventral), la récompense (noyau accumbens), mais aussi les émotions (amygdale), ainsi que dans un contrôle cognitif défaillant notamment au niveau du cortex préfrontal (PFC). Par conséquent, l’amélioration du contrôle cognitif, via une augmentation de l’activité du PFC est une stratégie prometteuse pour l’amélioration de ces troubles. L’amélioration contrôlée de la réponse du PFC par le sujet est réalisable par l’approche de « neurofeedback », qui consiste à présenter le niveau d’activité du PFC au sujet et de lui demander de l’augmenter de manière volontaire et autonome lors de sessions d’entrainement répétées. Cette approche a déjà montré son efficacité dans le cas de la régulation des émotions. Parmi les différentes modalités d’imagerie employées pour le neurofeedback, la fNIRS est actuellement la plus facile et la moins coûteuse à mettre en œuvre. Pour l’instant, aucune intervention de neurofeedback via la fNIRS n’a été réalisée dans le cadre de troubles du comportement alimentaire.

L’obtention d’une cicatrisation de la muqueuse au cours de la rectocolite hémorragique (RCH) s’est imposée comme un objectif thérapeutique essentiel pour la prévention des complications de la maladie. Comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la réparation épithéliale permettrait d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. L’objectif de ce travail était de développer un modèle d’organoïdes coliques humains pour étudier la fonction mitochondriale au cours de la réparation épithéliale suite à un épisode inflammatoire. Ce travail a permis de mettre au point un modèle d’organoïdes RCH reproduisant un épisode inflammatoire (stress RCH) suivi d’une réparation épithéliale. Une modification du métabolisme énergétique associé à une dysfonction mitochondriale a été mise en évidence dans les cellules épithéliales des organoïdes coliques humains. Une modulation des voies métaboliques énergétiques (glycolyse, métabolisme des acides aminés, métabolisme lipidique) a été observée et suggère une adaptation en réponse aux perturbations mitochondriales. La phase de réparation épithéliale a été induite dans le modèle d’organoïdes montrant la capacité de prolifération des cellules souches et progénitrices reconstituer l’épithélium colique. De plus, cette réparation est associée à une restauration de la fonction mitochondriale via la phosphorylation oxydative. L’importance de l’apport en substrat énergétique dans la réparation épithéliale a été soulignée dans ce travail. Ces pistes restent à être explorées au travers des études cliniques présentées dans ce manuscrit et d’études mécanistiques plus poussées. L’ensemble de ces travaux indique que la restauration de la fonction mitochondriale est cruciale pour soutenir la réparation épithéliale et permettre de restaurer l’homéostasie intestinale pour favoriser une rémission à long terme du patient.

Les maladies hépatiques d’origine dysmétabolique représentent aujourd’hui un véritable enjeu de santé publique. Parmi elles, la stéatose (NAFL, Non Alcoholic Fatty Liver) est caractérisée par une accumulation excessive de lipides dans le foie et peut progressivement évoluer vers une stéatohépatite non alcoolique (NASH, non alcoholic steatohepatitis), qui est une lésion plus grave. Plusieurs études ont mis en évidence que le cytochrome P450 2E1 (CYP2E1) a la particularité de générer des espèces réactives de l’oxygène (EROs) qui sont sources d’un stress oxydant propice à l’aggravation de la NAFL en NASH. Des travaux ont rapporté le rôle de certains acides gras parmi les facteurs métaboliques susceptibles d’activer le CYP2E1, en particulier dans un contexte d’obésité et/ou de NAFLD. Outre son rôle potentiel dans l’aggravation de la NAFL en NASH, le CYP2E1 est impliqué dans la toxicité hépatique du paracétamol, observée généralement après un surdosage (>10 g/j) intentionnel ou non, et plus rarement au cours de traitements à des doses pharmacologiques (3-4 g/j). Ainsi, le paracétamol pourrait être plus toxique dans un contexte de NAFLD et d’obésité. Notre travail a permis de montrer que tous les acides gras n’ont pas le même impact sur le CYP2E1 et sur la stéatose, dans le modèle cellulaire HepaRG. Dans nos conditions expérimentales, l’induction du CYP2E1 n’est pas non plus forcément corrélée à l’apparition d’une NAFL. Des investigations sur le métabolisme lipidique ont permis de comprendre les mécanismes sous-jacents au développement de cette NAFL. Notre étude a également permis d’identifier certains acides gras comme des facteurs de potentialisation de l’hépatotoxicité induite par le paracétamol, bien que les mécanismes sous-jacents ne soient pas encore totalement élucidés.

L’obésité et le surpoids provoquent la mort de 4 millions de personnes chaque année des suites des complications associées. L’inflammation systémique de bas-grade à l’origine des troubles métaboliques observés dans l’obésité a été associée à une dysbiose et des perturbations de l’homéostasie intestinale. Cette dernière est notamment soutenue par la fonction mitochondriale des cellules épithéliales intestinales (CEI) qui pourrait être altérée par la consommation d'un régime riche en lipides, par le biais d’une modification de leur métabolisme lipidique et/ou par la production de métabolites bactériens délétères. L’objectif de cette thèse était de déterminer si la consommation d’un régime obésogène modifie la fonction mitochondriale des CEI. Ce travail montre que la consommation d’un tel régime chez la souris modifie la fonction mitochondriale des cellules épithéliales jéjunales et coliques et augmente la perméabilité intestinale, via des mécanismes différents selon le segment intestinal et l’environnement auquel les CEI sont exposées. Dans le jéjunum, les données in vivo montrent que l’accumulation lipidique entérocytaire induite par la consommation d’un régime obésogène perturbe la dynamique mitochondriale, marquée par une diminution du nombre de mitochondries et de l’expression du régulateur de la biogénèse mitochondriale Pgc1a, ainsi que la capacité oxydative. Cette altération de la bioénergétique des CEI est associée à une augmentation de la prolifération, à une diminution du phénotype mature des CEI et à une expression plus élevée de Cldn2, claudine permissive pouvant contribuer à l’augmentation de la perméabilité jéjunale. Les données in vitro sur la lignée d’entérocytes IPEC-J2 montrent que les altérations de bioénergétique des CEI sont provoquées par le mélange des acides gras du régime à forte concentration, acides gras qui présentent cependant des effets différents selon leur nature. Les acides gras palmitique et stéarique provoquent ainsi une dysfonction mitochondriale et une augmentation de la perméabilité intestinale contrairement aux acides gras laurique et myristique. Dans le côlon, les acides gras du régime ne sont pas absorbés par les cellules épithéliales coliques (CEC), qui par ailleurs ne présentent pas de modification du métabolisme lipidique. En revanche, la consommation d’un régime obésogène augmente l’abondance des Desulfovibrionaceae et les concentrations en sulfides dans l’environnement luminal colique, de façon associée à une augmentation de la perméabilité colique. Le traitement d’organoïdes coliques murins avec des sulfides a permis de valider l’hypothèse de leur impact direct sur la fonction mitochondriale des CEC. De plus, l’exposition aigue de mitochondries isolées de CEC murines à des sulfides provoque une diminution de l’activité du complexe IV de la chaîne de respiration mitochondriale et contribue à expliquer la dysfonction mitochondriale induite par le régime obésogène au niveau colique. L’ensemble de ces travaux indique que la restauration de la fonction mitochondriale des CEI et des CEC, par le biais de composés nutraceutiques innovants, permettrait de rétablir l’homéostasie intestinale et ainsi limiter le développement des complications liées à l’obésité.

L’épithélium intestinal et le microbiote intestinal sont en équilibre dans l’intestin. Cependant, cet équilibre peut être rompu par différents facteurs endogènes ou exogènes, conduisant à la dysbiose intestinale. La dysbiose intestinale est une perturbation de la composition du microbiote intestinal, pouvant être corrélée à l’apparition de certaines pathologies intestinales, telles que la maladie de Crohn, l’obésité, le diabète de type 2 ou le cancer colorectal. Certaines bactéries comme Salmonella sont augmentées et persistent dans l’intestin tandis que d’autres espèces bactériennes commensales sont diminuées, telles que Bacteroides fragilis et Roseburia intestinalis, considérées comme des potentiels probiotiques de nouvelle génération. Ces potentiels probiotiques de nouvelle génération sont capables de produire des métabolites bactériens exerçant des effets bénéfiques dans l’intestin et d’autres organes. Dans un premier temps, nous avons montré que les métabolites, comprenant l’acide cholique, sécrétés par B. fragilis étaient capables d’inhiber la virulence de Salmonella Heidelberg dans des modèles in vitro et in vivo. Dans un deuxième temps, nous avons observé que R. intestinalis produisait des métabolites capables de stimuler l’expression de PYY, peptide hormonal, sur un modèle multi- cellulaire comprenant des cellules entéro- endocrines. Ces deux études montrent l’importance des métabolites produits par le microbiote intestinal, pour le maintien de l’intégrité intestinal. L’administration des probiotiques de nouvelle génération et/ou de leurs métabolites pourraient conduire à la mise en place de nouveaux traitements, dans les cas de pathologies associées aux dysbioses. Cependant, de nombreux mécanismes sont encore à élucider, notamment l’étude des communautés bactériennes et les études cliniques qui sont en cours d’élaboration.

L'utilisation intensive des pesticides génère une contamination des denrées alimentaires, une exposition de l’Homme à ces contaminants environnementaux et un problème de santé majeur. L'EFSA a établi pour chaque pesticide une dose journalière admissible (DJA), qui est un seuil de sécurité théorique pour la santé humaine. Néanmoins, la DJA ne tient pas compte des effets cumulatifs potentiels des cocktails de pesticides. Le premier objectif de cette étude était d'évaluer les effets d'un mélange de pesticides fréquemment retrouvé dans l'alimentation humaine (chlorpyriphos, diméthoate, iprodione, imazalil, diazinon, manèbe, mancozèbe) dans des modèles hépatocytaires in vitro. En utilisant des cellules HepaRG différenciées, nous avons mis en évidence un effet cytotoxique majeur du cocktail suite à une exposition unique à de faibles concentrations extrapolées à partir de la DJA. De plus, nous avons démontré que la toxicité de ce cocktail est portée par les dithiocarbamates (Mn-EBDC), le manèbe et le mancozèbe, qui contiennent du manganèse. Une exposition aiguë au cocktail, Mn-EBDC ou chlorure de manganèse (MnCl2) induit une surproduction d’espèces réactives de l’oxygène, qui a conduit à la mort cellulaire par apoptose. Nous avons également montré une surcharge intracellulaire/mitochondriale de manganèse concomitante à une diminution intracellulaire des niveaux de zinc suite à une exposition au manèbe ou au MnCl2. Enfin, une co-exposition avec du chlorure de zinc (ZnCl2) a partiellement restauré les niveaux intracellulaires/mitochondriaux de manganèse et prévient la toxicité induite par les Mn-EBDC. Dans une seconde étude, nous avons utilisé un modèle de stéatose des cellules HepaRG induite par les acides oléique et stéarique et démontré que l'exposition chronique au mélange pesticide, Mn-EBDC ou MnCl2 aggravait la stéatose induite par ces acides gras (AG) en l'absence de cytotoxicité. Le mécanisme impliquait une absorption accrue de AG et l'inhibition de la sécrétion de VLDL. De plus, nous avons constaté que l'exposition à des concentrations non cytotoxiques du mélange de pesticides ou de MnCl2 (≤ADI/10) réduisait fortement l'expression et les activités enzymatiques des CYP2E1, CYP3A4 ou CYP2B6. Fait intéressant, ces inhibitions étaient associées à une réduction de l'expression des régulateurs transcriptionnels PXR et CAR des CYP. Les altérations des expressions et des activités des enzymes de phase I par le mélange de pesticides réduisaient le catabolisme du diazinon. L’ensemble de ces résultats a démontré que les expositions aux dithiocarbamates et au MnCl2 produisent des effets cytotoxiques et altèrent les métabolismes des lipides et des xénobiotiques dans les hépatocytes humains in vitro.