Self-selection and risk selection on the Swiss health insurance market

Abstract This thesis presents three empirical studies in the field of health insurance in Switzerland. First we investigate the link between health insurance coverage and health care expenditures. We use claims data for over 60 000 adult individuals covered by a major Swiss Health Insurance Fund, followed for four years; the data show a strong positive correlation between coverage and expenditures. Two methods are developed and estimated in order to separate selection effects (due to individual choice of coverage) and incentive effects ("ex post moral hazard"). The first method uses the comparison between inpatient and outpatient expenditures to identify both effects and we conclude that both selection and incentive effects are significantly present in our data. The second method is based on a structural model of joint demand of health care and health insurance and makes the most of the change in the marginal cost of health care to identify selection and incentive effects. We conclude that the correlation between insurance coverage and health care expenditures may be decomposed into the two effects: 75% may be attributed to selection, and 25 % to incentive effects. Moreover, we estimate that a decrease in the coinsurance rate from 100% to 10% increases the marginal demand for health care by about 90% and from 100% to 0% by about 150%. Secondly, having shown that selection and incentive effects exist in the Swiss health insurance market, we present the consequence of this result in the context of risk adjustment. We show that if individuals choose their insurance coverage in function of their health status (selection effect), the optimal compensations should be function of the se- lection and incentive effects. Therefore, a risk adjustment mechanism which ignores these effects, as it is the case presently in Switzerland, will miss his main goal to eliminate incentives for sickness funds to select risks. Using a simplified model, we show that the optimal compensations have to take into account the distribution of risks through the insurance plans in case of self-selection in order to avoid incentives to select risks.Then, we apply our propositions to Swiss data and propose a simple econometric procedure to control for self-selection in the estimation of the risk adjustment formula in order to compute the optimal compensations.

Role of notch signalling in mammary gland

ÁBSTRACT : Mammary gland is composed of two main epithelial cell types, myoepithelial and luminal. The mechanisms involved in determination and maintenance of them remain poorly understood. Notch signaling is known to regulate cell fate determination in other tissues like skin and nervous system. It was also shown that it can act as tumor suppressor or oncogene depending on the tissue type. The mouse models overexpressing active Notch receptors indicated that Notch signaling is oncogenic in the mammary gland. This observation was followed by some descriptive and functional studies in human breast cancer and it was reported that Notch signaling activity or expression of its components are increased in some of the breast tumor samples compared to normal tissue. However, the physiological role of the Notch signaling and its downstream mechanisms in mammary gland is poorly defined. p63, a member of p53 family, has been implicated in the cell fate determination of keratinocytes. Knockout mouse models revealed that p63 is required for the formation of the mammary anlagen in embryo and its ΔN isoform is expressed exclusively in the myoepithelial layer of the adult breast. In order to understand its function in normal breast epithelial cells, I activated Notch signaling by expression of Notch1 intracellular domain (NICD) in normal primary human breast epithelial cells (HBECs). In this context, NICD reduced growth of HBECs and led to downmodulation of extracellular matrix-receptor interaction network (ECM) components as well as ΔNp63. Expression of ΔNp63 together with NICD partially rescued Notch induced growth reduction, which was correlated with an increase in ECM components. Moreover, silencing ΔNp63 in myoepithelial HBECs reduced growth similar to Notch activation and it led to downregulation of myoepithelial and upregulation of luminal markers. Complementing this observation, forced expression of ONp63 in luminal HBECs induced myoepithelial phenotype and decreased luminal markers. In vivo, by the analysis of a Notch reporter mouse strain, I showed that Notch is activated during puberty specifically at the sites of ductal morphogenesis, terminal end buds. FAGS analysis revealed that it can be detected in two different populations based on CD24 expression (low (lo) or high (high)): at lower levels in CD24lo, which includes stem/progenitor and myoepithelial cells and higher levels in CD24hi, which contains luminal cells. In parallel with in vitro results, the CD24lo mouse mammary epithelial cells displaying Notch activity have lower levels of p63 expression. Furthermore, deletion of RBPjk, the main mediator of Notch signaling, or the overexpression of ΔNp63 inhibited luminal cell lineage in vivo. Another important point revealed by Notch reporter mouse strain is the simultaneous activation of Notch with estrogen signaling during pubertal development. The expression of FOXA1, the mediator of estrogen receptor (ER) transcriptional activity, is correlated with Notch activation in vivo that it is lower in CD24lo than in CD24hi cells. Moreover, FOXA1 is regulated by NICD in vitro supporting the presence of a link between Notch and ER signaling. Taken together, I report that Notch signaling is involved in luminal cell fate determination and its effects are partially mediated through inhibition of ONp63. Besides, ΔNp63 is required for the maintenance and sufficient for the induction of myoepithelial phenotype in HBECs in vitro and is not compatible with luminal lineage in vivo. Based on these results, I propose a model for epithelial cell hierarchy in mammary gland, whereby there are two different types of luminal progenitors, early and late, displaying different levels of Notch activity. Notch signaling contributes to the determination of luminal cell lineage in these two progenitor steps: In "Early Luminal Progenitor" stage, it inhibits myoepithelial fate by decreasing p63 expression, and in "Late Luminal Progenitor" stage, Notch signaling is involved in induction of luminal lineage by acting on ER-FOXA1 axis. It has to be investigated further whether Notch signaling might behave as an oncogene or tumor suppressor depending on which cell type in the epithelial hierarchy it is modulated and which one is more likely to occur in different human breast cancer types. RÉSUMÉ : La glande mammaire est composée de deux types principaux de cellules: les cellules luminales, qui bordent le lumen et les cellules myoépithéliales, qui se trouvent entre la lame basale et les cellules luminales. Les mécanismes intervenant dans leur différenciation et leur maintenance demeurent encore mal compris. La protéine transmembranaire Notch est connue pour déterminer le destin des cellules dans plusieurs types de tissus comme la peau ou le système nerveux. Selon le type de tissu dans lequel se trouve Notch, il agira soit comme un suppresseur de tumeur soit comme un oncogène. A l'aide de modèles de souris surexprimant les récepteurs actifs de Notch, il a été démontré que la voie de signalisation de Notch est oncogénique au niveau de la glande mammaire. Des études descriptives et fonctionnelles dans le cadre du cancer du sein ont permis de mettre en évidence une augmentation de l'activité de Notch ou de l'expression de ces composants dans certains tissus cancéreux. Toutefois, le rôle physiologique de Notch et des mécanismes qu'il active restent méconnus. P63, une protéine membre de la famille p53, est impliquée dans la différenciation des kératinocytes. Le modèle issu de l'étude des souris p63 knockout a révélé que cette protéine est requise pour la formation des primordia mammaires chez l'embryon et que son isoforme ΔNp63 est exclusivement exprimée dans la couche myoépithéliale de la glande mammaire adulte. Dans le but de comprendre les fonctions physiologiques de Notch, je l'ai activé en exprimant le domaine intracellulaire de Notch 1 (NICD) dans des cellules épithéliales primaires de glande mammaire humaine (HBECs). Le NICD a alors réduit la croissance des HBECs et conduit à la régulation négative non seulement de p63 mais également des composants du réseau d'interaction des récepteurs de la matrice extracellulaire (ECM). En exprimant conjointement ΔNp63 et NICD, il est apparu que la réduction de croissance induite par Notch était partiellement compensée, et qu'il y avait également une augmentation des composants ECM. De plus, lorsque ΔNp63 a été inactivé dans les cellules HBECs myoépithéliales, une réduction de croissance cellulaire identique à celle provoquée par l'activation de Notch a pu être mise en évidence, de même qu'une régulation négative des marqueurs myoépithéliaux ainsi qu'une augmentation des marqueurs luminaux. Afin de compléter ces informations, l'expression de ΔNp63 a été forcée dans les HBECs luminales, ce qui a induit un phénotype myoépithélial et une diminution des marqueurs lumineux. In vivo, par l'analyse de souris ayant un gène rapporteur de l'activité de Notch, j'ai démontré que Notch est activé pendant la puberté au niveau des sites de la morphogenèse canalaire, à savoir les bourgeons terminaux. Les analyses par FACS (Fluorescence-activated cell sorting) basées sur l'expression de l'antigène CD24 ont révélé qu'il peut tre détecté dans deux populations différentes : une population qui l'exprime faiblement, qui regroupe les cellules souches/progéniteurs et les cellules myoépithéliales, et une population qui l'exprime fortement qui est composé des cellules luminales. Parallèlement aux résultats in vitro, j'ai mis en évidence un faible niveau d'expression de p63 dans les cellules épithéliales de la glande mammaire de souris, exprimant faiblement l'antigène CD24 et présentant une activité de Notch. De plus, la délétion de RBPjr~, médiateur principal de la signalisation de Notch, ainsi que la surexpression de ΔNp63 in vivo ont inhibé la lignée des cellules luminales. Un autre point important révélé par les souris rapporteur de l'activité de Notch a été l'activation simultanée de Notch et de la signalisation de l'oestrogène pendant le développement pubertaire. L'expression de FOXA1, médiateur de l'activité transcriptionnelle des récepteurs aux oestrogènes (ER), est en corrélation avec l'activation de Notch in vivo, plus basse dans les cellules avec une faible expression de l'antigène CD24 que dans celles avec une forte expression. De plus, FOXA1 est régulé par NICD in vitro confirmant la présence d'un lien entre Notch et la signalisation des ER. En résumé, la signalisation de Notch est impliquée dans la détermination du destin cellulaire des cellules luminales et ses effets sont partiellement modifiés par l'inhibition de ΔNp63. ΔNp63 est requis pour la maintenance et est suffisant pour l'induction du phénotype myoépithéliale dans les HBECs in vitro et ne peut donc pas se trouver dans les cellules luminales in vivo. Basé sur ces résultats, je propose un modèle de hiérarchisation des cellules épithéliales de la glande mammaire, dans lequel sont présents deux types de progéniteurs des cellules luminales exprimant des niveaux différents d'activité de Notch, les progéniteurs lumineux précoces et tardifs. La signalisation de Notch contribue à la différenciation de la lignée cellulaire luminale au niveau de ces deux progéniteurs : dans la forme précoce, il inhibe la différenciation des cellules myoépithéliales en réduisant l'expression de p63 et dans la forme tardive, Notch est impliqué dans l'induction de la lignée luminale en agissant sur l'axe ER-FOXA1. Il serait nécessaire d'investiguer plus loin si le fait que Notch agisse comme oncogène ou suppresseur de tumeur dépend du stade de différenciation de la cellule dans laquelle il est modulé et laquelle de ces deux fonctions il est le plus probable de rencontrer dans les différents types de cancer du sein.

CSF1R mutations link POLD and HDLS as a single disease entity.

OBJECTIVE: Pigmented orthochromatic leukodystrophy (POLD) and hereditary diffuse leukoencephalopathy with axonal spheroids (HDLS) are rare neurodegenerative disorders characterized by cerebral white matter abnormalities, myelin loss, and axonal swellings. The striking overlap of clinical and pathologic features of these disorders suggested a common pathogenesis; however, no genetic or mechanistic link between POLD and HDLS has been established. Recently, we reported that mutations in the colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) gene cause HDLS. In this study, we determined whether CSF1R mutations are also a cause of POLD. METHODS: We performed sequencing of CSF1R in 2 pathologically confirmed POLD families. For the largest family (FTD368), a detailed case report was provided and brain samples from 2 affected family members previously diagnosed with POLD were re-evaluated to determine whether they had HDLS features. In vitro functional characterization of wild-type and mutant CSF1R was also performed. RESULTS: We identified CSF1R mutations in both POLD families: in family 5901, we found c.2297T>C (p.M766T), previously reported by us in HDLS family CA1, and in family FTD368, we identified c.2345G>A (p.R782H), recently reported in a biopsy-proven HDLS case. Immunohistochemical examination in family FTD368 showed the typical neuronal and glial findings of HDLS. Functional analyses of CSF1R mutant p.R782H (identified in this study) and p.M875T (previously observed in HDLS), showed a similar loss of CSF1R autophosphorylation of selected tyrosine residues in the kinase domain for both mutations when compared with wild-type CSF1R. CONCLUSIONS: We provide the first genetic and mechanistic evidence that POLD and HDLS are a single clinicopathologic entity.

A mechanism for localized lignin deposition in the endodermis.

The precise localization of extracellular matrix and cell wall components is of critical importance for multicellular organisms. Lignin is a major cell wall modification that often forms intricate subcellular patterns that are central to cellular function. Yet the mechanisms of lignin polymerization and the subcellular precision of its formation remain enigmatic. Here, we show that the Casparian strip, a lignin-based, paracellular diffusion barrier in plants, forms as a precise, median ring by the concerted action of a specific, localized NADPH oxidase, brought into proximity of localized peroxidases through the action of Casparian strip domain proteins (CASPs). Our findings in Arabidopsis provide a simple mechanistic model of how plant cells regulate lignin formation with subcellular precision. We speculate that scaffolding of NADPH oxidases to the downstream targets of the reactive oxygen species (ROS) that they produce might be a widespread mechanism to ensure specificity and subcellular precision of ROS action within the extracellular matrix.

Bioavailability of repeated oral administration of MDL 100,240, a dual inhibitor of angiotensin-converting enzyme and neutral endopeptidase in healthy volunteers.

BACKGROUND: MDL 100,240 (pyrido[2,1-a] [2]benzazepine-4-carboxylic acid,7-[[2-(acetylthio)-1-oxo-3-phenylpropyl]amino]-1,2,3,4,6,7,8, 12b-octahydro-6-oxo, [4S-[4alpha,7alpha(R(*)),12bbeta]]-) is a molecule possessing an inhibiting ability on both angiotensin converting enzyme (ACE) and neutral endopeptidase, the enzyme responsible for atrial natriuretic peptide (ANP) degradation. Such a dual mechanism of action presents a potential clinical interest for the treatment of hypertension and congestive heart failure. OBJECTIVES: To evaluate the bioavailability of MDL 100,240 and its accumulation over repeated oral administration, using ACE inhibition as a surrogate for plasma drug level and determining its profile after oral and i.v. administration. METHODS: First, in an open, one-period, single-dose study, the ACE inhibition profile was characterised following a 12.5 mg MDL 100,240 i.v. infusion. Second, in a three-group, parallel, randomised, double-blind study, each group of four subjects received q.d., over 8 days, 2.5, 10 or 20 mg of MDL 100,240 orally. The ACE inhibition profile was determined on day 1 and day 8. Trough plasma ACE was measured on days 2, 3 and 4. The recovery of ACE activity was monitored up to 72 h after the last dose of MDL 100,240. RESULTS: ACE inhibition profile was similar on day 1 and day 8, and trough inhibition remained unchanged after the 8 days of treatment with 10 mg or 20 mg. Following repeated 2.5-mg ingestion, trough inhibition increased from 33% to 44% after the eighth dose. The oral bioavailability of MDL 100,240 was estimated at 85%, not statistically different from 100%. The accumulation ratio at steady state was estimated at 112%. Expressing the accumulation ratio in terms of half-life, a t(1/2) of 0.31 days or 7. 5 h was estimated. CONCLUSION: MDL 100,240 (oral solution) has a good bioavailability, as estimated by ACE inhibition, and no drug accumulation seems to occur over 8 days with the 10-mg and 20-mg doses, but a slight rise in the trough level is observed with the 2. 5-mg dose.

Increased Wnt signaling triggers oncogenic conversion of human breast epithelial cells by a Notch-dependent mechanism.

Wnt and Notch signaling have long been established as strongly oncogenic in the mouse mammary gland. Aberrant expression of several Wnts and other components of this pathway in human breast carcinomas has been reported, but evidence for a causative role in the human disease has been missing. Here we report that increased Wnt signaling, as achieved by ectopic expression of Wnt-1, triggers the DNA damage response (DDR) and an ensuing cascade of events resulting in tumorigenic conversion of primary human mammary epithelial cells. Wnt-1-transformed cells have high telomerase activity and compromised p53 and Rb function, grow as spheres in suspension, and in mice form tumors that closely resemble medullary carcinomas of the breast. Notch signaling is up-regulated through a mechanism involving increased expression of the Notch ligands Dll1, Dll3, and Dll4 and is required for expression of the tumorigenic phenotype. Increased Notch signaling in primary human mammary epithelial cells is sufficient to reproduce some aspects of Wnt-induced transformation. The relevance of these findings for human breast cancer is supported by the fact that expression of Wnt-1 and Wnt-4 and of established Wnt target genes, such as Axin-2 and Lef-1, as well as the Notch ligands, such as Dll3 and Dll4, is up-regulated in human breast carcinomas.

Astrocyte Ca²⁺ signalling: an unexpected complexity.

Astrocyte Ca(2+) signalling has been proposed to link neuronal information in different spatial-temporal dimensions to achieve a higher level of brain integration. However, some discrepancies in the results of recent studies challenge this view and highlight key insufficiencies in our current understanding. In parallel, new experimental approaches that enable the study of astrocyte physiology at higher spatial-temporal resolution in intact brain preparations are beginning to reveal an unexpected level of compartmentalization and sophistication in astrocytic Ca(2+) dynamics. This newly revealed complexity needs to be attentively considered in order to understand how astrocytes may contribute to brain information processing.

Pericardial fat volume correlates with coronary vasomotion

Purpose: Recent studies showed that pericardial fat was independently correlated with the development of coronary artery disease (CAD). The mechanism remains unclear. We aimed at assessing a possible relationship between pericardial fat volume and endothelium-dependent coronary vasomotion, a surrogate of future cardiovascular events.Methods: Fifty healthy volunteers without known CAD or cardiovascular risk factors (CRF) were enrolled. They all underwent a dynamic Rb- 82 cardiac PET/CT to quantify myocardial blood flow (MBF) at rest, during MBF response to cold pressure test (CPT-MBF) and adenosine stress. Pericardial fat volume (PFV) was measured using a 3D volumetric CT method and common biological CRF (glucose and insulin levels, HOMA-IR, cholesterol, triglyceride, hs-CRP). Relationships between MBF response to CPT, PFV and other CRF were assessed using non-parametric Spearman correlation and multivariate regression analysis of variables with significant correlation on univariate analysis (Stata 11.0).Results: All of the 50 participants had normal MBF response to adenosine (2.7±0.6 mL/min/g; 95%CI: 2.6−2.9) and myocardial flow reserve (2.8±0.8; 95%CI: 2.6−3.0) excluding underlying CAD. Simple regression analysis revealed a significant correlation between absolute CPTMBF and triglyceride level (rho = −0.32, p = 0.024) fasting blood insulin (rho = −0.43, p = 0.0024), HOMA-IR (rho = −0.39, p = 0.007) and PFV (rho = −0.52, p = 0.0001). MBF response to adenosine was only correlated with PFV (rho = −0.32, p = 0.026). On multivariate regression analysis PFV emerged as the only significant predictor of MBF response to CPT (p = 0.002).Conclusion: PFV is significantly correlated with endothelium-dependent coronary vasomotion. High PF burden might negatively influence MBF response to CPT, as well as to adenosine stress, even in persons with normal hyperemic myocardial perfusion imaging, suggesting a link between PF and future cardiovascular events. While outside-to-inside adipokines secretion through the arterial wall has been described, our results might suggest an effect upon NO-dependent and -independent vasodilatation. Further studies are needed to elucidate this mechanism.

Circadian control of tissue homeostasis and adult stem cells.

The circadian timekeeping mechanism adapts physiology to the 24-hour light/dark cycle. However, how the outputs of the circadian clock in different peripheral tissues communicate and synchronize each other is still not fully understood. The circadian clock has been implicated in the regulation of numerous processes, including metabolism, the cell cycle, cell differentiation, immune responses, redox homeostasis, and tissue repair. Accordingly, perturbation of the machinery that generates circadian rhythms is associated with metabolic disorders, premature ageing, and various diseases including cancer. Importantly, it is now possible to target circadian rhythms through systemic or local delivery of time cues or compounds. Here, we summarize recent findings in peripheral tissues that link the circadian clock machinery to tissue-specific functions and diseases.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.

Mechanism of reduction of virus release and cell-cell fusion in persistent canine distemper virus infection.

Canine distemper virus (CDV), a mobillivirus related to measles virus causes a chronic progressive demyelinating disease, associated with persistence of the virus in the central nervous system (CNS). CNS persistence of morbilliviruses has been associated with cell-to-cell spread, thereby limiting immune detection. The mechanism of cell-to-cell spread remains uncertain. In the present study we studied viral spread comparing a cytolytic (non-persistent) and a persistent CDV strain in cell cultures. Cytolytic CDV spread in a compact concentric manner with extensive cell fusion and destruction of the monolayer. Persistent CDV exhibited a heterogeneous cell-to-cell pattern of spread without cell fusion and 100-fold reduction of infectious viral titers in supernatants as compared to the cytolytic strain. Ultrastructurally, low infectious titers correlated with limited budding of persistent CDV as compared to the cytolytic strain, which shed large numbers of viral particles. The pattern of heterogeneous cell-to-cell viral spread can be explained by low production of infectious viral particles in only few areas of the cell membrane. In this way persistent CDV only spreads to a small proportion of the cells surrounding an infected one. Our studies suggest that both cell-to-cell spread and limited production of infectious virus are related to reduced expression of fusogenic complexes in the cell membrane. Such complexes consist of a synergistic configuration of the attachment (H) and fusion (F) proteins on the cell surface. F und H proteins exhibited a marked degree of colocalization in cytolytic CDV infection but not in persistent CDV as seen by confocal laser microscopy. In addition, analysis of CDV F protein expression using vaccinia constructs of both strains revealed an additional large fraction of uncleaved fusion protein in the persistent strain. This suggests that the paucity of active fusion complexes is due to restricted intracellular processing of the viral fusion protein.

Insulin resistance, hyperlipidemia, and hypertension in mice lacking endothelial nitric oxide synthase.

BACKGROUND: Insulin resistance and arterial hypertension are related, but the underlying mechanism is unknown. Endothelial nitric oxide synthase (eNOS) is expressed in skeletal muscle, where it may govern metabolic processes, and in the vascular endothelium, where it regulates arterial pressure. METHODS AND RESULTS: To study the role of eNOS in the control of the metabolic action of insulin, we assessed insulin sensitivity in conscious mice with disruption of the gene encoding for eNOS. eNOS(-/-) mice were hypertensive and had fasting hyperinsulinemia, hyperlipidemia, and a 40% lower insulin-stimulated glucose uptake than control mice. Insulin resistance in eNOS(-/-) mice was related specifically to impaired NO synthesis, because in equally hypertensive 1-kidney/1-clip mice (a model of renovascular hypertension), insulin-stimulated glucose uptake was normal. CONCLUSIONS: These results indicate that eNOS is important for the control not only of arterial pressure but also of glucose and lipid homeostasis. A single gene defect, eNOS deficiency, may represent the link between metabolic and cardiovascular disease.