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Sickle cell disease is the first genetic disorder in France and worldwide. This hemoglobinopathy leads to the production of a mutated hemoglobin called hemoglobin S (HbS) which has the property to polymerize in deoxygenated condition, leading to red blood cell (RBC) sickling. Sickle cell anemia (SCA) patient RBCs are more fragile and less deformable than RBC from healthy individuals. Patients suffer from hemolytic anemia, repeated painful vaso-occlusive crisis and other acute and chronical complications. However, this physiopathological mechanism cannot explain the clinical expression variability of the disease. Therefore, SCA is now considered as both as an erythrocyte disease and a vascular disease where RBC alterations and vessels dysfunction are closely linked. Oxidative stress, pro-inflammatory factors and decreased nitric oxide (NO) bioavailability could contribute to the physiopathology of the disease and to a chronic vascular dysfunction. We showed that plasma from SCA patients and inflammatory plasma factors that are majored in patient blood had deleterious effects on SCA RBC rheology, rheology that is known to participate to clinical complications. We also identified that majored oxidative stress and decreased NO altered RBC deformability. Those results could explain the clinical benefits of plasmapheresis which is used in severe complications that are resistant to blood transfusion. We also observed that oxidative stress and NO modulated eryptosis i.e.: the red blood cell death. This mechanism could be accompanied by red blood cell microparticles (RBC-MPs) release. The concentration of RBC-MPs is majored in patient blood at steady state and even more during crisis. Our study revealed a link between SCA patients RBC-MPs concentration and macrovascular dysfunction. We also showed that RBC-MPs directly isolated from patient blood had deleterious effect in vitro on macrovascular endothelial cells. Indeed, they promoted the expression of adhesion molecules and the production of inflammatory cytokines that are involved in vascular dysfunction and clinical complications. Our results also showed that those toxic properties could be attributed to their ability to activate TLR4 on endothelial cells. Therefore, therapies targeting oxidative stress, NO or TLR4 could limit those mechanisms and the onset of complications. Currently, hydroxyurea is the reference medication in SCA. Hydroxyurea increased the production of fetal hemoglobin and so decreased the concentration of HbS. This thesis also showed that this drug could increase NO bioavailability in patients, potentially in link with its NO donor property. This effect could improve SCA RBC deformability by promoting the S-Nitrosylation of the β-spectrine protein and could also decrease RBC oxidative stress. Therefore, this treatment could potentially decrease eryptosis and RBC-MPs released by its effects on NO metabolism. Finally, we showed that hydroxyurea therapy inhibited RBC NO production pathway. The mechanisms at the origin of this inhibition and the consequences on the endogenous NO production still need to be explored; La drépanocytose est la première maladie génétique en France et dans le monde. Cette hémoglobinopathie mène à la production d’une hémoglobine mutée, appelée hémoglobine S (HbS), qui a la particularité de polymériser en condition désoxygénée, ce qui mène à la falciformation des globules rouges (GRs). Les GRs des patients drépanocytaires (SS) sont plus fragiles et moins déformables que des globules rouges d’individus non malades. Les patients souffrent ainsi d’une anémie hémolytique chronique, de crises vaso-occlusives douloureuses répétées et de nombreuses autres complications aiguës et chroniques. Cependant, ce mécanisme physiopathologique ne permet pas d’expliquer le caractère extrêmement polymorphe de l’expression clinique de la maladie. D’une maladie considérée à l’origine comme uniquement érythrocytaire, la drépanocytose est ainsi aujourd’hui également étudiée sous le prisme d’une pathologie vasculaire, où anomalies du globule rouge et dysfonction vasculaire seraient étroitement liées. Le stress oxydant et les facteurs pro-inflammatoires majorés ainsi que la biodisponibilité du monoxyde d’azote abaissée participeraient fortement à la physiopathologie de la maladie et notamment à la survenue d’une dysfonction vasculaire chronique. Nous avons montré au cours de cette thèse que le plasma des patients SS ainsi que des molécules plasmatiques inflammatoires augmentées dans la maladie exerçaient un effet délétère sur la rhéologie de leurs GRs, rhéologie qui participe à la survenue des complications cliniques. Nous avons également identifié que le stress oxydant majoré et la biodisponibilité du NO abaissée chez les malades altéraient la rhéologie des GRs. Ces résultats pourraient donc expliquer le bénéfice clinique de l’utilisation de la plasmaphérèse dans des rares cas de complications sévères résistantes à l’érythraphérèse. Nous avons également mis en évidence que le stress oxydant et le NO modulaient le phénomène d’éryptose ou mort du globule rouge chez les patients. Ce mécanisme s’accompagnerait de l’émission de microparticules de GRs (GR-MPs), qui se trouvent en concentration majorée chez les patients et de façon plus importante lors des crises. Nos études ont permis de mettre en évidence un lien entre ces GRs-MPs et la dysfonction macrovasculaire des patients. Nous avons également montré que des GR-MPs directement isolées chez les patients exerçaient un rôle délétère in vitro sur des cellules endothéliales de la macrocirculation. Celles-ci favorisaient l’expression de molécules d’adhérence et la production de cytokines pro-inflammatoires impliquées dans la dysfonction vasculaire et dans les complications de la maladie. Nos résultats ont révélé que ces propriétés toxiques des GR-MPs pourraient être due à l’activation du récepteur TLR4 sur l’endothélium. Des thérapies ciblées sur le stress oxydant, le NO ou encore TLR4 pourraient permette ainsi de limiter ces phénomènes et donc la survenue de complications. Le traitement de référence est actuellement l’hydroxyurée. Le mécanisme d’action principal de cette molécule repose sur l’augmentation de la production d’hémoglobine fœtale et donc la diminution de la concentration en HbS. Cette thèse a permis de mettre en évidence que l’hydroxyurée augmentait également la biodisponibilité du NO chez les patients, en lien probable avec un effet donneur de NO. Cet effet permettrait d’améliorer la déformabilité des GRs au travers d’une s-nitrosylation de la β-spectrine mais également d’abaisser le stress oxydant érythrocytaire. Ce traitement pourrait donc potentiellement réduire les phénomènes d’éryptose et d’émission de GR-MPs par ses propriétés sur le métabolisme du NO. Enfin, l’hydroxyurée menait également à inhiber la voie de production du NO intra-érythrocytaire. Les mécanismes à l’origine de cette inhibition ainsi que ses conséquences sur la production endogène de NO par les GRs restent cependant à être explorés.

Hyperglycemia and insulin resistance are septic metabolic alterations associated with poorprognosis, increased cardiovascular dysfunction and mortality. Several studies have demonstrated thathigh-dose insulin therapy reduces mortality and prevents multi-organ dysfunction but is controversialbecause it is often associated with deleterious hypoglycemia. Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B)is a negative regulator of both insulin signaling and NO production.The concept developed in our laboratory is that PTP1B inhibition could be a potentialtherapeutic target in sepsis by improving both insulin sensitivity and these consequences onendothelial and cardiac function. PTP1B genetic deletion has been shown to decrease cardiovasculardysfunction in sepsis but the effects of this deletion on carbohydrate metabolism in the improvementof cardiovascular dysfunction remain unknown and constitute the objective of our work.In a sepsis model induced by Ligature and Caecal Perforation, we have demonstrated that thetotal PTP1B genetic deletion limits insulin resistance induced by sepsis, improves the AMPK signalingpathway, the GLUT-4 translocation and reduces inflammation. These effects are followed by decreasedendothelial dysfunction induced by sepsis and improves NO production. The endothelial PTP1B geneticdeletion, significantly improves endothelial function, insulin and glucose sensitivity.This work demonstrate the beneficial effect of the PTP1B genetic deletion in the sepsis byimprovement of the insulin sensibility and these consequences on endothelial and cardiac function., L’hyperglycémie et l’insulino-résistance constituent les altérations métaboliques des patients septiques associées à un pronostic défavorable, à une augmentation des dysfonctions cardiovasculaires et à une augmentation de la mortalité. Si plusieurs études démontrent quel’insulinothérapie à forte dose diminue la mortalité et prévient la dysfonction multi-organes, elle est souvent controversée car responsable d’hypoglycémies délétères. La Protéine Tyrosine Phosphatase1B (PTP1B) est un régulateur négatif de la voie de signalisation dépendante de l’insuline et de la voie de production du NO.L’idée développée dans le laboratoire est que l’inhibition de la PTP1B pourrait constituer une cible thérapeutique potentielle dans le sepsis en améliorant la sensibilité à l’insuline et ainsi les conséquences sur la fonction endothéliale et cardiaque. Bien qu’il ait été montré que la délétion génétique en PTP1B diminue la dysfonction cardiovasculaire lors du sepsis, les effets de cette délétion sur le métabolisme glucidique dans l’amélioration de la dysfonction cardiovasculaire restent méconnus et constituent l’objectif de notre travail.Dans un modèle de sepsis induit par Ligature et Perforation Caecale, nous avons pu mettre en évidence que la délétion génétique totale de PTP1B limite l’insulino-résistance induite par le sepsis,améliore la voie de signalisation dépendante de l’AMPK et la translocation des GLUT-4 et diminue l’inflammation. Ces effets s’accompagnent d’une diminution de la dysfonction endothéliale induite parle sepsis et améliore la production de NO. La délétion génétique endothéliale de PTP1B permet quant à elle une amélioration significative de la fonction endothéliale et de la sensibilité à l’insuline et au glucose.Ces travaux ont donc permis de mettre en évidence l’effet bénéfique de la délétion génétique en PTP1B dans le sepsis par amélioration de la sensibilité à l’insuline et des conséquences sur la fonction endothéliale et cardiaque.

Hyperglycemia and insulin resistance are septic metabolic alterations associated with poorprognosis, increased cardiovascular dysfunction and mortality. Several studies have demonstrated thathigh-dose insulin therapy reduces mortality and prevents multi-organ dysfunction but is controversialbecause it is often associated with deleterious hypoglycemia. Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B)is a negative regulator of both insulin signaling and NO production.The concept developed in our laboratory is that PTP1B inhibition could be a potentialtherapeutic target in sepsis by improving both insulin sensitivity and these consequences onendothelial and cardiac function. PTP1B genetic deletion has been shown to decrease cardiovasculardysfunction in sepsis but the effects of this deletion on carbohydrate metabolism in the improvementof cardiovascular dysfunction remain unknown and constitute the objective of our work.In a sepsis model induced by Ligature and Caecal Perforation, we have demonstrated that thetotal PTP1B genetic deletion limits insulin resistance induced by sepsis, improves the AMPK signalingpathway, the GLUT-4 translocation and reduces inflammation. These effects are followed by decreasedendothelial dysfunction induced by sepsis and improves NO production. The endothelial PTP1B geneticdeletion, significantly improves endothelial function, insulin and glucose sensitivity.This work demonstrate the beneficial effect of the PTP1B genetic deletion in the sepsis byimprovement of the insulin sensibility and these consequences on endothelial and cardiac function., L’hyperglycémie et l’insulino-résistance constituent les altérations métaboliques des patients septiques associées à un pronostic défavorable, à une augmentation des dysfonctions cardiovasculaires et à une augmentation de la mortalité. Si plusieurs études démontrent quel’insulinothérapie à forte dose diminue la mortalité et prévient la dysfonction multi-organes, elle est souvent controversée car responsable d’hypoglycémies délétères. La Protéine Tyrosine Phosphatase1B (PTP1B) est un régulateur négatif de la voie de signalisation dépendante de l’insuline et de la voie de production du NO.L’idée développée dans le laboratoire est que l’inhibition de la PTP1B pourrait constituer une cible thérapeutique potentielle dans le sepsis en améliorant la sensibilité à l’insuline et ainsi les conséquences sur la fonction endothéliale et cardiaque. Bien qu’il ait été montré que la délétion génétique en PTP1B diminue la dysfonction cardiovasculaire lors du sepsis, les effets de cette délétion sur le métabolisme glucidique dans l’amélioration de la dysfonction cardiovasculaire restent méconnus et constituent l’objectif de notre travail.Dans un modèle de sepsis induit par Ligature et Perforation Caecale, nous avons pu mettre en évidence que la délétion génétique totale de PTP1B limite l’insulino-résistance induite par le sepsis,améliore la voie de signalisation dépendante de l’AMPK et la translocation des GLUT-4 et diminue l’inflammation. Ces effets s’accompagnent d’une diminution de la dysfonction endothéliale induite parle sepsis et améliore la production de NO. La délétion génétique endothéliale de PTP1B permet quant à elle une amélioration significative de la fonction endothéliale et de la sensibilité à l’insuline et au glucose.Ces travaux ont donc permis de mettre en évidence l’effet bénéfique de la délétion génétique en PTP1B dans le sepsis par amélioration de la sensibilité à l’insuline et des conséquences sur la fonction endothéliale et cardiaque.

Gravity is a major environmental factor. This force that shaped the life and the functioning of our body is closely related to gravity. To remain healthy, we should benefit from the daily influence of gravity and a food intake adapted to our physical activity. The objective of this thesis is to study vascular remodeling and endothelial dysfunction in sedentary models and metabolic disorders and to explore ways of countermeasures. 60 days of head down bed rest in healthy male induce a macrocirculation remodeling at the femoral artery and an endothelial dysfunction at the microcirculation level. Daily intake of complex plant extracts from traditional Chinese medicine (Taikong Yangxin) helped to prevent endothelial dysfunction. In a diabetic rat model with vascular dysfunction (GK rats), we tested the salidroside, an important compound from the Taikong Yangxin. Although it has no effect on diabetes, this compound showed a beneficial effect on endothelial -dependent and -independent vasodilation. In the last part of our work, we studied the involvement of type 2 angiotensin receptor and estrogen receptor in cardiovascular dysfunction induced by a high calorie diet in mice. Physical inactivity induces morphological and functional remodeling in the vascular tree, making it a major risk factor independent of cardiovascular diseases. Simple or complex plant extracts have beneficial effects on endothelial function. Angiotensin type 2 receptor and its interaction with the estrogen receptor could be a pharmacological target as a countermeasure against vascular damage related to the environment., La gravité est un facteur environnemental majeur. C’est cette force qui a façonné la vie et le fonctionnement de notre organisme est intimement lié à la gravité. Pour rester en bonne santé, nous devons bénéficier de l’influence quotidienne de la gravité et d’un apport alimentaire adapté à notre activité physique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le remodelage vasculaire et la dysfonction endothéliale dans des modèles de sédentarité et de troubles métaboliques ainsi que d’explorer des moyens de contre mesures. Un alitement de 60 jours chez des sujets sains masculins induit un remodelage de la macrocirculation au niveau de l’artère fémorale ainsi qu’une dysfonction endothéliale au niveau de la microcirculation. La prise quotidienne d’extraits végétaux complexes issus de la médecine traditionnelle chinoise (Taikong Yangxin) a permis de prévenir l’atteinte endothéliale.Dans un modèle de rat diabétique avec atteinte vasculaire (rats GK),nous avons testé le salidroside, important composé issus du Taikong Yangxin. Bien qu’il n’ait pas d’effets sur le diabète, cecomposé a montré un effet bénéfique sur la vasodilatation endothéliale -dépendante et -indépendante. Dans une dernière partie nous avons étudié chez la souris l’implication du récepteur de type 2 à l’angiotensine et des récepteurs aux estrogènes dans les dysfonctions cardiovasculaires induite par une alimentation hypercalorique. L’inactivité physique induit un remodelage morphologique et fonctionnel au niveau de l’arbre vasculaire ce qui en fait un facteur de risque majeur et indépendant des maladies cardio-vasculaires. Des extraits végétaux simples ou complexes ont des effets bénéfiques sur les fonctions endothéliales. Le récepteur de type 2 à l’angiotensine et ses interactions possibles avec le récepteur aux oestrogènes pourrait être une cible pharmacologique comme contre mesure des atteintes vasculaires liées à l’environnement.

Gravity is a major environmental factor. This force that shaped the life and the functioning of our body is closely related to gravity. To remain healthy, we should benefit from the daily influence of gravity and a food intake adapted to our physical activity. The objective of this thesis is to study vascular remodeling and endothelial dysfunction in sedentary models and metabolic disorders and to explore ways of countermeasures. 60 days of head down bed rest in healthy male induce a macrocirculation remodeling at the femoral artery and an endothelial dysfunction at the microcirculation level. Daily intake of complex plant extracts from traditional Chinese medicine (Taikong Yangxin) helped to prevent endothelial dysfunction. In a diabetic rat model with vascular dysfunction (GK rats), we tested the salidroside, an important compound from the Taikong Yangxin. Although it has no effect on diabetes, this compound showed a beneficial effect on endothelial -dependent and -independent vasodilation. In the last part of our work, we studied the involvement of type 2 angiotensin receptor and estrogen receptor in cardiovascular dysfunction induced by a high calorie diet in mice. Physical inactivity induces morphological and functional remodeling in the vascular tree, making it a major risk factor independent of cardiovascular diseases. Simple or complex plant extracts have beneficial effects on endothelial function. Angiotensin type 2 receptor and its interaction with the estrogen receptor could be a pharmacological target as a countermeasure against vascular damage related to the environment., La gravité est un facteur environnemental majeur. C’est cette force qui a façonné la vie et le fonctionnement de notre organisme est intimement lié à la gravité. Pour rester en bonne santé, nous devons bénéficier de l’influence quotidienne de la gravité et d’un apport alimentaire adapté à notre activité physique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le remodelage vasculaire et la dysfonction endothéliale dans des modèles de sédentarité et de troubles métaboliques ainsi que d’explorer des moyens de contre mesures. Un alitement de 60 jours chez des sujets sains masculins induit un remodelage de la macrocirculation au niveau de l’artère fémorale ainsi qu’une dysfonction endothéliale au niveau de la microcirculation. La prise quotidienne d’extraits végétaux complexes issus de la médecine traditionnelle chinoise (Taikong Yangxin) a permis de prévenir l’atteinte endothéliale.Dans un modèle de rat diabétique avec atteinte vasculaire (rats GK),nous avons testé le salidroside, important composé issus du Taikong Yangxin. Bien qu’il n’ait pas d’effets sur le diabète, cecomposé a montré un effet bénéfique sur la vasodilatation endothéliale -dépendante et -indépendante. Dans une dernière partie nous avons étudié chez la souris l’implication du récepteur de type 2 à l’angiotensine et des récepteurs aux estrogènes dans les dysfonctions cardiovasculaires induite par une alimentation hypercalorique. L’inactivité physique induit un remodelage morphologique et fonctionnel au niveau de l’arbre vasculaire ce qui en fait un facteur de risque majeur et indépendant des maladies cardio-vasculaires. Des extraits végétaux simples ou complexes ont des effets bénéfiques sur les fonctions endothéliales. Le récepteur de type 2 à l’angiotensine et ses interactions possibles avec le récepteur aux oestrogènes pourrait être une cible pharmacologique comme contre mesure des atteintes vasculaires liées à l’environnement.

Gravitational stimulation is an inherent part of terrestrial environment. Modified gravity changes functioning of numerous body systems, including cardiovascular system. The aim of this work was to study the mechanisms of vascular modifications induced by modeled microgravity. The human studies were performed using dry immersion. This model is considered as one of the most appropriate to reproduce the effects of prolonged microgravity and especially to mimic the lack of support. We found that dry immersion induces microcirculatory impairment with endothelial dysfunction (study of circulating microparticles) and impaired skin vasodilation (study by iontophoresis of vasoactive substances coupled with laser Doppler flowmetry). This vascular impairment is integrated to more general cardiovascular deconditioning syndrome. The global deconditioning was also considered in this work, including the rapid reset of water and sodium balance to a new steady state. During the recovery period, we observed a significant increase of plasmatic NT-proBNP which might reflect the degree of cardiovascular deconditioning. Our studies with animal models of horizontal and antiorthostatic hypokinesia suggest that increased endotoxin translocation and reduced energy metabolism in microgravity could contribute to endothelial impairment. Endothelial dysfunction may be regarded as one of the therapeutic targets for pathologies associated with physical inactivity and microgravity., La gravité est une stimulation permanente pour l'organisme sur terre. La microgravité induit des modifications de nombreuses fonctionnalités, y compris celles du système cardio-vasculaire. Le but de ce travail était d‟étudier les mécanismes des modifications vasculaires induites par les modèles de microgravité. Nous avons conduit nos études chez l‟homme à l‟aide de l‟immersion sèche qui est considérée comme un des modèles reproduisant au mieux la microgravité. L'immersion sèche est le seul modèle de microgravité prolongée à imiter l'absence d‟appui. Notre travail montre que l‟immersion sèche induit une atteinte au niveau microcirculatoire avec une dysfonction endothéliale (étude des microparticules circulantes) et une atteinte de la fonction vasodilatatrice cutanée (étude par iontophorèse couplée au laser Doppler). Cette atteinte vasculaire s'intègre dans un syndrome de déconditionnement cardiovasculaire plus global que nous avons également étudié. Il comprend un nouvel équilibre hydro-sodé qui survient très rapidement, dans les 24 premières heures. Pendant la période de récupération, nous avons observé une augmentation significative du NT-proBNP qui pourrait être un marqueur biologique du déconditionnement cardio-vasculaire. Nos études sur l‟animal avec les modèles d‟hypokinésie et d'inclinaison tête en bas discontinues chroniques suggèrent qu'une translocation augmentée d‟endotoxine et une réduction du métabolisme énergétique en microgravité pourraient participer aux atteintes endothéliales. La dysfonction endothéliale deviendrait ainsi une cible thérapeutique pour des atteintes liées à l‟inactivité physique et à la microgravité.

Gravitational stimulation is an inherent part of terrestrial environment. Modified gravity changes functioning of numerous body systems, including cardiovascular system. The aim of this work was to study the mechanisms of vascular modifications induced by modeled microgravity. The human studies were performed using dry immersion. This model is considered as one of the most appropriate to reproduce the effects of prolonged microgravity and especially to mimic the lack of support. We found that dry immersion induces microcirculatory impairment with endothelial dysfunction (study of circulating microparticles) and impaired skin vasodilation (study by iontophoresis of vasoactive substances coupled with laser Doppler flowmetry). This vascular impairment is integrated to more general cardiovascular deconditioning syndrome. The global deconditioning was also considered in this work, including the rapid reset of water and sodium balance to a new steady state. During the recovery period, we observed a significant increase of plasmatic NT-proBNP which might reflect the degree of cardiovascular deconditioning. Our studies with animal models of horizontal and antiorthostatic hypokinesia suggest that increased endotoxin translocation and reduced energy metabolism in microgravity could contribute to endothelial impairment. Endothelial dysfunction may be regarded as one of the therapeutic targets for pathologies associated with physical inactivity and microgravity.; La gravité est une stimulation permanente pour l'organisme sur terre. La microgravité induit des modifications de nombreuses fonctionnalités, y compris celles du système cardio-vasculaire. Le but de ce travail était d‟étudier les mécanismes des modifications vasculaires induites par les modèles de microgravité. Nous avons conduit nos études chez l‟homme à l‟aide de l‟immersion sèche qui est considérée comme un des modèles reproduisant au mieux la microgravité. L'immersion sèche est le seul modèle de microgravité prolongée à imiter l'absence d‟appui. Notre travail montre que l‟immersion sèche induit une atteinte au niveau microcirculatoire avec une dysfonction endothéliale (étude des microparticules circulantes) et une atteinte de la fonction vasodilatatrice cutanée (étude par iontophorèse couplée au laser Doppler). Cette atteinte vasculaire s'intègre dans un syndrome de déconditionnement cardiovasculaire plus global que nous avons également étudié. Il comprend un nouvel équilibre hydro-sodé qui survient très rapidement, dans les 24 premières heures. Pendant la période de récupération, nous avons observé une augmentation significative du NT-proBNP qui pourrait être un marqueur biologique du déconditionnement cardio-vasculaire. Nos études sur l‟animal avec les modèles d‟hypokinésie et d'inclinaison tête en bas discontinues chroniques suggèrent qu'une translocation augmentée d‟endotoxine et une réduction du métabolisme énergétique en microgravité pourraient participer aux atteintes endothéliales. La dysfonction endothéliale deviendrait ainsi une cible thérapeutique pour des atteintes liées à l‟inactivité physique et à la microgravité.