Protonation controls ASIC1a activity via coordinated movements in multiple domains.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+)-conducting channels activated by extracellular acidification. ASICs are involved in pain sensation, expression of fear, and neurodegeneration after ischemic stroke. Functional ASICs are composed of three identical or homologous subunits, whose extracellular part has a handlike structure. Currently, it is unclear how protonation of residues in extracellular domains controls ASIC activity. Knowledge of these mechanisms would allow a rational development of drugs acting on ASICs. Protonation may induce conformational changes that control the position of the channel gate. We used voltage-clamp fluorometry with fluorophores attached to residues in different domains of ASIC1a to detect conformational changes. Comparison of the timing of fluorescence and current signals identified residues involved in movements that preceded desensitization and may therefore be associated with channel opening or early steps leading to desensitization. Other residues participated in movements intimately linked to desensitization and recovery from desensitization. Fluorescence signals of all mutants were detected at more alkaline pH than ionic currents. Their midpoint of pH dependence was close to that of steady-state desensitization, whereas the steepness of the pH fluorescence relationship was closer to that of current activation. A sequence of movements was observed upon acidification, and its backward movements during recovery from desensitization occurred in the reverse order, indicating that the individual steps are interdependent. Furthermore, the fluorescence signal of some labeled residues in the finger domain was strongly quenched by a Trp residue in the neighboring β-ball domain. Upon channel activation, their fluorescence intensity increased, indicating that the finger moved away from the β ball. This extensive analysis of activity-dependent conformational changes in ASICs sheds new light on the mechanisms by which protonation controls ASIC activity.

Perception et communication du risque: du diabète à la maladie cardiovasculaire [Risk perception and communication: from diabetes to cardiovascular diseases].

Evidence-based medicine has enabled to approach disease in a more rational and scientific way. Clinical research has identified behaviours and risk factors that could cause disease often "silent" at the beginning, such as diabetes. Despite the clear impact of these evidences on public health, it seems that the individual risk perception level remains weak. To mention as well, the health professionals very often have a different views, which makes it difficult to communicate the risk with patients. In this article we describe the principles of risk perception, the diabetes related risk perception concerning cardiovascular complications, and suggest some practical strategies and tools which could improve risk communication in the everyday practice.

Unfolding nature "in silico" : overcoming practical and metodological limitations of species distribution models

Abstract : The existence of a causal relationship between the spatial distribution of living organisms and their environment, in particular climate, has been long recognized and is the central principle of biogeography. In turn, this recognition has led scientists to the idea of using the climatic, topographic, edaphic and biotic characteristics of the environment to predict its potential suitability for a given species or biological community. In this thesis, my objective is to contribute to the development of methodological improvements in the field of species distribution modeling. More precisely, the objectives are to propose solutions to overcome limitations of species distribution models when applied to conservation biology issues, or when .used as an assessment tool of the potential impacts of global change. The first objective of my thesis is to contribute to evidence the potential of species distribution models for conservation-related applications. I present a methodology to generate pseudo-absences in order to overcome the frequent lack of reliable absence data. I also demonstrate, both theoretically (simulation-based) and practically (field-based), how species distribution models can be successfully used to model and sample rare species. Overall, the results of this first part of the thesis demonstrate the strong potential of species distribution models as a tool for practical applications in conservation biology. The second objective this thesis is to contribute to improve .projections of potential climate change impacts on species distributions, and in particular for mountain flora. I develop and a dynamic model, MIGCLIM, that allows the implementation of dispersal limitations into classic species distribution models and present an application of this model to two virtual species. Given that accounting for dispersal limitations requires information on seed dispersal, distances, a general methodology to classify species into broad dispersal types is also developed. Finally, the M~GCLIM model is applied to a large number of species in a study area of the western Swiss Alps. Overall, the results indicate that while dispersal limitations can have an important impact on the outcome of future projections of species distributions under climate change scenarios, estimating species threat levels (e.g. species extinction rates) for a mountainous areas of limited size (i.e. regional scale) can also be successfully achieved when considering dispersal as unlimited (i.e. ignoring dispersal limitations, which is easier from a practical point of view). Finally, I present the largest fine scale assessment of potential climate change impacts on mountain vegetation that has been carried-out to date. This assessment involves vegetation from 12 study areas distributed across all major western and central European mountain ranges. The results highlight that some mountain ranges (the Pyrenees and the Austrian Alps) are expected to be more affected by climate change than others (Norway and the Scottish Highlands). The results I obtain in this study also indicate that the threat levels projected by fine scale models are less severe than those derived from coarse scale models. This result suggests that some species could persist in small refugias that are not detected by coarse scale models. Résumé : L'existence d'une relation causale entre la répartition des espèces animales et végétales et leur environnement, en particulier le climat, a été mis en évidence depuis longtemps et est un des principes centraux en biogéographie. Ce lien a naturellement conduit à l'idée d'utiliser les caractéristiques climatiques, topographiques, édaphiques et biotiques de l'environnement afin d'en prédire la qualité pour une espèce ou une communauté. Dans ce travail de thèse, mon objectif est de contribuer au développement d'améliorations méthodologiques dans le domaine de la modélisation de la distribution d'espèces dans le paysage. Plus précisément, les objectifs sont de proposer des solutions afin de surmonter certaines limitations des modèles de distribution d'espèces dans des applications pratiques de biologie de la conservation ou dans leur utilisation pour évaluer l'impact potentiel des changements climatiques sur l'environnement. Le premier objectif majeur de mon travail est de contribuer à démontrer le potentiel des modèles de distribution d'espèces pour des applications pratiques en biologie de la conservation. Je propose une méthode pour générer des pseudo-absences qui permet de surmonter le problème récurent du manque de données d'absences fiables. Je démontre aussi, de manière théorique (par simulation) et pratique (par échantillonnage de terrain), comment les modèles de distribution d'espèces peuvent être utilisés pour modéliser et améliorer l'échantillonnage des espèces rares. Ces résultats démontrent le potentiel des modèles de distribution d'espèces comme outils pour des applications de biologie de la conservation. Le deuxième objectif majeur de ce travail est de contribuer à améliorer les projections d'impacts potentiels des changements climatiques sur la flore, en particulier dans les zones de montagnes. Je développe un modèle dynamique de distribution appelé MigClim qui permet de tenir compte des limitations de dispersion dans les projections futures de distribution potentielle d'espèces, et teste son application sur deux espèces virtuelles. Vu que le fait de prendre en compte les limitations dues à la dispersion demande des données supplémentaires importantes (p.ex. la distance de dispersion des graines), ce travail propose aussi une méthode de classification simplifiée des espèces végétales dans de grands "types de disperseurs", ce qui permet ainsi de d'obtenir de bonnes approximations de distances de dispersions pour un grand nombre d'espèces. Finalement, j'applique aussi le modèle MIGCLIM à un grand nombre d'espèces de plantes dans une zone d'études des pré-Alpes vaudoises. Les résultats montrent que les limitations de dispersion peuvent avoir un impact considérable sur la distribution potentielle d'espèces prédites sous des scénarios de changements climatiques. Cependant, quand les modèles sont utilisés pour évaluer les taux d'extinction d'espèces dans des zones de montages de taille limitée (évaluation régionale), il est aussi possible d'obtenir de bonnes approximations en considérant la dispersion des espèces comme illimitée, ce qui est nettement plus simple d'un point dé vue pratique. Pour terminer je présente la plus grande évaluation à fine échelle d'impact potentiel des changements climatiques sur la flore des montagnes conduite à ce jour. Cette évaluation englobe 12 zones d'études réparties sur toutes les chaines de montages principales d'Europe occidentale et centrale. Les résultats montrent que certaines chaines de montagnes (les Pyrénées et les Alpes Autrichiennes) sont projetées comme plus sensibles aux changements climatiques que d'autres (les Alpes Scandinaves et les Highlands d'Ecosse). Les résultats obtenus montrent aussi que les modèles à échelle fine projettent des impacts de changement climatiques (p. ex. taux d'extinction d'espèces) moins sévères que les modèles à échelle large. Cela laisse supposer que les modèles a échelle fine sont capables de modéliser des micro-niches climatiques non-détectées par les modèles à échelle large.

Interplay between T cell receptor binding kinetics and the level of cognate peptide presented by major histocompatibility complexes governs CD8+ T cell responsiveness.

Through a rational design approach, we generated a panel of HLA-A*0201/NY-ESO-1(157-165)-specific T cell receptors (TCR) with increasing affinities of up to 150-fold from the wild-type TCR. Using these TCR variants which extend just beyond the natural affinity range, along with an extreme supraphysiologic one having 1400-fold enhanced affinity, and a low-binding one, we sought to determine the effect of TCR binding properties along with cognate peptide concentration on CD8(+) T cell responsiveness. Major histocompatibility complexes (MHC) expressed on the surface of various antigen presenting cells were peptide-pulsed and used to stimulate human CD8(+) T cells expressing the different TCR via lentiviral transduction. At intermediate peptide concentration we measured maximum cytokine/chemokine secretion, cytotoxicity, and Ca(2+) flux for CD8(+) T cells expressing TCR within a dissociation constant (K(D)) range of ∼1-5 μM. Under these same conditions there was a gradual attenuation in activity for supraphysiologic affinity TCR with K(D) < ∼1 μM, irrespective of CD8 co-engagement and of half-life (t(1/2) = ln 2/k(off)) values. With increased peptide concentration, however, the activity levels of CD8(+) T cells expressing supraphysiologic affinity TCR were gradually restored. Together our data support the productive hit rate model of T cell activation arguing that it is not the absolute number of TCR/pMHC complexes formed at equilibrium, but rather their productive turnover, that controls levels of biological activity. Our findings have important implications for various immunotherapies under development such as adoptive cell transfer of TCR-engineered CD8(+) T cells, as well as for peptide vaccination strategies.

Validation d'une version française de l'inventaire rationnel-experientiel (REI) et application au tabagisme

The Rational-Experiential Inventory REI (Pacini and Epstein, 1999) is a self-administered test comprising two scales measuring the attitude of respondents towards two thinking styles respectively referred to as the rational and the experiential thinking styles. Two validation studies were conducted using a new French-language version of the REI. The first study confirms the validity of the French translation. The second study, which is concerned with the REI's construct validity, assesses the questionnaire's capacity to discriminate between a group of smokers and a group of non-smokers. Both studies give generally satisfactory results. In particular, the advantages of using the two-dimensional REI rather than the better known Need For Cognition scale (Cacioppo & Petty, 1982) are made quite clear.

Immunothérapie: une nouvelle arme contre le cancer de la prostate [Immunotherapy: a therapeutic revolution against prostate cancer?].

The interaction between the immune system and cancer was an area of research interest for several decades. The recent U.S. Food and Drug Administration approval of sipuleucel-T and ipilimumab stimulated broader interest in manipulating immunity to fight cancer. In the context of prostate cancer, the immunotherapy strategies under development are therapeutic vaccination strategies, such as sipuleucel-T and PROSTVAC-VF, or immune checkpoint blockade of CTLA-4. Improved understanding of the immune responses generated by the development of predictive biomarkers for patient selection will guide rational combinations of these treatments and provide new treatment options in prostate cancer.

Link between genotype and antimicrobial resistance in bovine mastitis-related Staphylococcus aureus strains, determined by comparing Swiss and French isolates from the Rhône Valley.

Staphylococcus aureus is a major bovine mastitis pathogen. Although the reported antimicrobial resistance was generally low, the emergence of new genetic clusters in bovine mastitis requires examination of the link between antimicrobial resistance and genotypes. Here, amplified fragment length polymorphism (AFLP) profiles and standard antimicrobial resistance profiles were determined in order to characterize a total of 343 S. aureus cow mastitis isolates from two geographically close regions of Switzerland and France. AFLP profiles revealed similar population compositions in the two regions, with 4 major clusters (C8, C20, C97, and C151), but the proportions of isolates in each cluster significantly diverged between the two countries (P = 9.2 × 10⁻⁹). Antimicrobial resistance was overall low (< 5% resistance to all therapeutically relevant molecules), with the exception of penicillin resistance, which was detected in 26% of the isolates. Penicillin resistance proportions differed between clusters, with only 1 to 2% of resistance associated with C20 and C151 and up to 70% associated with bovine C97. The prevalence of C20 and C8 was unexpectedly high and requires further investigation into the mechanism of adaptation to the bovine host. The strong association of penicillin resistance with few clusters highlights the fact that the knowledge of local epidemiology is essential for rational choices of antimicrobial treatment in the absence of susceptibility testing. Taken together, these observations argue in favor of more routine scrutiny of antimicrobial resistance and antibiotic-resistant clones in cattle and the farm environment.

Examining chemical compound biodegradation at low concentrations through bacterial cell proliferation.

We show proof of principle for assessing compound biodegradation at 1-2 mg C per L by measuring microbial community growth over time with direct cell counting by flow cytometry. The concept is based on the assumption that the microbial community will increase in cell number through incorporation of carbon from the added test compound into new cells in the absence of (as much as possible) other assimilable carbon. We show on pure cultures of the bacterium Pseudomonas azelaica that specific population growth can be measured with as low as 0.1 mg 2-hydroxybiphenyl per L, whereas in mixed community 1 mg 2-hydroxybiphenyl per L still supported growth. Growth was also detected with a set of fragrance compounds dosed at 1-2 mg C per L into diluted activated sludge and freshwater lake communities at starting densities of 10(4) cells per ml. Yield approximations from the observed community growth was to some extent in agreement with standard OECD biodegradation test results for all, except one of the examined compounds.

Molecular modeling of peptide-MHC class I complexes : applications to peptide based immunotherapy

Summary The specific CD8+ T cell immune response against tumors relies on the recognition by the T cell receptor (TCR) on cytotoxic T lymphocytes (CTL) of antigenic peptides bound to the class I major histocompatibility complex (MHC) molecule. Such tumor associated antigenic peptides are the focus of tumor immunotherapy with peptide vaccines. The strategy for obtaining an improved immune response often involves the design of modified tumor associated antigenic peptides. Such modifications aim at creating higher affinity and/or degradation resistant peptides and require precise structures of the peptide-MHC class I complex. In addition, the modified peptide must be cross-recognized by CTLs specific for the parental peptide, i.e. preserve the structure of the epitope. Detailed structural information on the modified peptide in complex with MHC is necessary for such predictions. In this thesis, the main focus is the development of theoretical in silico methods for prediction of both structure and cross-reactivity of peptide-MHC class I complexes. Applications of these methods in the context of immunotherapy are also presented. First, a theoretical method for structure prediction of peptide-MHC class I complexes is developed and validated. The approach is based on a molecular dynamics protocol to sample the conformational space of the peptide in its MHC environment. The sampled conformers are evaluated using conformational free energy calculations. The method, which is evaluated for its ability to reproduce 41 X-ray crystallographic structures of different peptide-MHC class I complexes, shows an overall prediction success of 83%. Importantly, in the clinically highly relevant subset of peptide-HLAA*0201 complexes, the prediction success is 100%. Based on these structure predictions, a theoretical approach for prediction of cross-reactivity is developed and validated. This method involves the generation of quantitative structure-activity relationships using three-dimensional molecular descriptors and a genetic neural network. The generated relationships are highly predictive as proved by high cross-validated correlation coefficients (0.78-0.79). Together, the here developed theoretical methods open the door for efficient rational design of improved peptides to be used in immunotherapy. Résumé La réponse immunitaire spécifique contre des tumeurs dépend de la reconnaissance par les récepteurs des cellules T CD8+ de peptides antigéniques présentés par les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) de classe I. Ces peptides sont utilisés comme cible dans l'immunothérapie par vaccins peptidiques. Afin d'augmenter la réponse immunitaire, les peptides sont modifiés de façon à améliorer l'affinité et/ou la résistance à la dégradation. Ceci nécessite de connaître la structure tridimensionnelle des complexes peptide-CMH. De plus, les peptides modifiés doivent être reconnus par des cellules T spécifiques du peptide natif. La structure de l'épitope doit donc être préservée et des structures détaillées des complexes peptide-CMH sont nécessaires. Dans cette thèse, le thème central est le développement des méthodes computationnelles de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I et de la reconnaissance croisée. Des applications de ces méthodes de prédiction à l'immunothérapie sont également présentées. Premièrement, une méthode théorique de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I est développée et validée. Cette méthode est basée sur un échantillonnage de l'espace conformationnel du peptide dans le contexte du récepteur CMH classe I par dynamique moléculaire. Les conformations sont évaluées par leurs énergies libres conformationnelles. La méthode est validée par sa capacité à reproduire 41 structures des complexes peptide-CMH classe I obtenues par cristallographie aux rayons X. Le succès prédictif général est de 83%. Pour le sous-groupe HLA-A*0201 de complexes de grande importance pour l'immunothérapie, ce succès est de 100%. Deuxièmement, à partir de ces structures prédites in silico, une méthode théorique de prédiction de la reconnaissance croisée est développée et validée. Celle-ci consiste à générer des relations structure-activité quantitatives en utilisant des descripteurs moléculaires tridimensionnels et un réseau de neurones couplé à un algorithme génétique. Les relations générées montrent une capacité de prédiction remarquable avec des valeurs de coefficients de corrélation de validation croisée élevées (0.78-0.79). Les méthodes théoriques développées dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie du design de vaccins peptidiques améliorés.

TACI, unlike BAFF-R, is solely activated by oligomeric BAFF and APRIL to support survival of activated B cells and plasmablasts.

The cytokine BAFF binds to the receptors TACI, BCMA, and BAFF-R on B cells, whereas APRIL binds to TACI and BCMA only. The signaling properties of soluble trimeric BAFF (BAFF 3-mer) were compared with those of higher-order BAFF oligomers. All forms of BAFF bound BAFF-R and TACI, and elicited BAFF-R-dependent signals in primary B cells. In contrast, signaling through TACI in mature B cells or plasmablasts was only achieved by higher-order BAFF and APRIL oligomers, all of which were also po-tent activators of a multimerization-dependent reporter signaling pathway. These results indicate that, although BAFF-R and TACI can provide B cells with similar signals, only BAFF-R, but not TACI, can respond to soluble BAFF 3-mer, which is the main form of BAFF found in circulation. BAFF 60-mer, an efficient TACI agonist, was also detected in plasma of BAFF transgenic and nontransgenic mice and was more than 100-fold more active than BAFF 3-mer for the activation of multimerization-dependent signals. TACI supported survival of activated B cells and plasmablasts in vitro, providing a rational basis to explain the immunoglobulin deficiency reported in TACI-deficient persons.

On the use of spatially discrete data to compute energy and mass balance

In many practical applications the state of field soils is monitored by recording the evolution of temperature and soil moisture at discrete depths. We theoretically investigate the systematic errors that arise when mass and energy balances are computed directly from these measurements. We show that, even with no measurement or model errors, large residuals might result when finite difference approximations are used to compute fluxes and storage term. To calculate the limits set by the use of spatially discrete measurements on the accuracy of balance closure, we derive an analytical solution to estimate the residual on the basis of the two key parameters: the penetration depth and the distance between the measurements. When the thickness of the control layer for which the balance is computed is comparable to the penetration depth of the forcing (which depends on the thermal diffusivity and on the forcing period) large residuals arise. The residual is also very sensitive to the distance between the measurements, which requires accurately controlling the position of the sensors in field experiments. We also demonstrate that, for the same experimental setup, mass residuals are sensitively larger than the energy residuals due to the nonlinearity of the moisture transport equation. Our analysis suggests that a careful assessment of the systematic mass error introduced by the use of spatially discrete data is required before using fluxes and residuals computed directly from field measurements.

The Dyadic and Triadic Therapeutic Alliance in Cross-cultural Health Care: The case of Hispanic American Patients

This research project conducted in the Psychology Department of the University of Lausanne (Switzerland) evaluated the therapeutic alliance with Hispanic American Patients. From the patient's perspective, the therapeutic alliance was explored in two types of frameworks: the dyadic and the triadic setting. The dyadic setting is the encounter between a therapist (health professional) and a patient who ideally share the same language. The triadic setting is the encounter of a therapist and a patient who speak different languages, but are able to interact using the help of an interpreter. My specific interest focuses on studying the therapeutic alliance in a cross- cultural setting through a mixed methodology. As part of the quantitative phase, non- parametric tests were used to analyze 55 questionnaires of the Therapeutic Alliance for Migrants - Health Professionals' version (QALM-PS). For the qualitative phase, a thematic analysis was used to analyze 20 transcript interviews. While no differences were found concerning the strength of the therapeutic alliance between the triadic and dyadic settings, results showed that the factors that enrich the therapeutic alliance with migrant patients depend more on an emotional alliance (bond) than on a rational alliance (agreements). Indeed, the positive relationship with the interpreter, and especially with the therapist, relies considerably on human qualities and moral values, bringing the conception of humanity as an important need when meeting foreign patients in health care settings. In addition, the quality of communication, which could be attributed to the type of interpreter in the triadic setting, plays an important role in the establishment of a positive therapeutic relationship. Ce projet de recherche mené au Département de psychologie de l'Université de Lausanne (Suisse) a évalué l'alliance thérapeutique avec les patients hispano-américains. Du point de vue du patient, l'alliance thérapeutique a été étudiée dans deux types de dispositifs: le cadre dyadique et triadique. Le cadre dyadique est la rencontre d'un thérapeute (professionnel de la santé) et d'un patient qui, idéalement, partagent la même langue. Le cadre triadique est la rencontre d'un thérapeute et d'un patient qui parlent différentes langues, mais sont capables d'interagir grâce à l'aide d'un interprète. Mon intérêt porte en particulier sur l'étude de l'alliance thérapeutique dans un cadre interculturel au travers d'une méthodologie mixte. Dans la phase quantitative, des tests non paramétriques ont été utilisés pour les analyses des 55 questionnaires de l'alliance thérapeutique pour les migrants, version - professionnels de la santé (QALM-PS). Pour la phase qualitative, une analyse thématique a été utilisée pour l'analyse des 20 entretiens transcrits. Bien qu'aucune différence n'a été constatée en ce qui concerne la force de l'alliance thérapeutique entre les cadres dyadiques et triadiques, les résultats montrent que les facteurs qui enrichissent l'alliance thérapeutique avec les patients migrants dépendent plus de l'alliance émotionnelle (lien) que sur une alliance rationnelle (accords). En effet, la relation positive avec l'interprète, et en particulier avec le thérapeute, repose en grande partie sur des qualités humaines et des valeurs morales, ce qui porte la conception de l'humanité comme un besoin important lors de la rencontre des patients étrangers dans un cadre de santé. En outre, la qualité de la communication, qui pourrait être attribuée au type d'interprète dans le cadre triadique, joue un rôle important dans l'établissement d'une relation thérapeutique positive.

A review of methods for assessment of coronary microvascular disease in both clinical and experimental settings.

Obstructive disease of the large coronary arteries is the prominent cause for angina pectoris. However, angina may also occur in the absence of significant coronary atherosclerosis or coronary artery spasm, especially in women. Myocardial ischaemia in these patients is often associated with abnormalities of the coronary microcirculation and may thus represent a manifestation of coronary microvascular disease (CMD). Elucidation of the role of the microvasculature in the genesis of myocardial ischaemia and cardiac damage-in the presence or absence of obstructive coronary atherosclerosis-will certainly result in more rational diagnostic and therapeutic interventions for patients with ischaemic heart disease. Specifically targeted research based on improved assessment modalities is needed to improve the diagnosis of CMD and to translate current molecular, cellular, and physiological knowledge into new therapeutic options.

On the efficient evaluation of ruin probabilities for completely monotone claim size distributions

In this paper we propose a highly accurate approximation procedure for ruin probabilities in the classical collective risk model, which is based on a quadrature/rational approximation procedure proposed in [2]. For a certain class of claim size distributions (which contains the completely monotone distributions) we give a theoretical justification for the method. We also show that under weaker assumptions on the claim size distribution, the method may still perform reasonably well in some cases. This in particular provides an efficient alternative to a related method proposed in [3]. A number of numerical illustrations for the performance of this procedure is provided for both completely monotone and other types of random variables.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.