2D, 3D and 4D active compound delivery in tissue engineering and regenerative medicine

Recent advances in tissue engineering and regenerative medicine have shown that controlling cells microenvironment during growth is a key element to the development of successful therapeutic system. To achieve such control, researchers have first proposed the use of polymeric scaffolds that were able to support cellular growth and, to a certain extent, favor cell organization and tissue structure. With nowadays availability of a large pool of stem cell lines, such approach has appeared to be rather limited since it does not offer the fine control of the cell micro-environment in space and time (4D). Therefore, researchers are currently focusing their efforts on developing strategies that include active compound delivery systems in order to add a fourth dimension to the design of 3D scaffolds. This review will focus on recent concepts and applications of 2D and 3D techniques that have been used to control the load and release of active compounds used to promote cell differentiation and proliferation in or out of a scaffold. We will first present recent advances in the design of 2D polymeric scaffolds and the different techniques that have been used to deposit molecular cues and cells in a controlled fashion. We will continue presenting the recent advances made in the design of 3D scaffolds based on hydrogels as well as polymeric fibers and we will finish by presenting some of the research avenues that are still to be explored.

Développement et validation d’un outil clinique pour l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une scoliose idiopathique

La scoliose idiopathique (SI) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale et de la cage thoracique à potentiel évolutif pendant la croissance. Cette déformation 3D entraîne des asymétries de la posture. La correction de la posture est un des objectifs du traitement en physiothérapie chez les jeunes atteints d’une SI afin d’éviter la progression de la scoliose, de réduire les déformations morphologiques et leurs impacts sur la qualité de vie. Les outils cliniques actuels ne permettent pas de quantifier globalement les changements de la posture attribuables à la progression de la scoliose ou à l’efficacité des interventions thérapeutiques. L’objectif de cette thèse consiste donc au développement et à la validation d’un nouvel outil clinique permettant l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une SI. Ce projet vise plus spécifiquement à déterminer la fidélité et la validité des indices de posture (IP) de ce nouvel outil clinique et à vérifier leur capacité à détecter des changements entre les positions debout et assise. Suite à une recension de la littérature, 34 IP représentant l’alignement frontal et sagittal des différents segments corporels ont été sélectionnés. L’outil quantitatif clinique d’évaluation de la posture (outil 2D) construit dans ce projet consiste en un logiciel qui permet de calculer les différents IP (mesures angulaires et linéaires). L’interface graphique de cet outil est conviviale et permet de sélectionner interactivement des marqueurs sur les photographies digitales. Afin de vérifier la fidélité et la validité des IP de cet outil, la posture debout de 70 participants âgés entre 10 et 20 ans atteints d'une SI (angle de Cobb: 15º à 60º) a été évaluée à deux occasions par deux physiothérapeutes. Des marqueurs placés sur plusieurs repères anatomiques, ainsi que des points de référence anatomique (yeux, lobes des oreilles, etc.), ont permis de mesurer les IP 2D en utilisant des photographies. Ces mêmes marqueurs et points de référence ont également servi au calcul d’IP 3D obtenus par des reconstructions du tronc avec un système de topographie de surface. Les angles de Cobb frontaux et sagittaux et le déjettement C7-S1 ont été mesurés sur des radiographies. La théorie de la généralisabilité a été utilisée pour déterminer la fidélité et l’erreur standard de la mesure (ESM) des IP de l’outil 2D. Des coefficients de Pearson ont servi à déterminer la validité concomitante des IP du tronc de l’outil 2D avec les IP 3D et les mesures radiographiques correspondantes. Cinquante participants ont été également évalués en position assise « membres inférieurs allongés » pour l’étude comparative de la posture debout et assise. Des tests de t pour échantillons appariés ont été utilisés pour détecter les différences entre les positions debout et assise. Nos résultats indiquent un bon niveau de fidélité pour la majorité des IP de l’outil 2D. La corrélation entre les IP 2D et 3D est bonne pour les épaules, les omoplates, le déjettement C7-S1, les angles de taille, la scoliose thoracique et le bassin. Elle est faible à modérée pour la cyphose thoracique, la lordose lombaire et la scoliose thoraco-lombaire ou lombaire. La corrélation entre les IP 2D et les mesures radiographiques est bonne pour le déjettement C7-S1, la scoliose et la cyphose thoracique. L’outil est suffisamment discriminant pour détecter des différences entre la posture debout et assise pour dix des treize IP. Certaines recommandations spécifiques résultents de ce projet : la hauteur de la caméra devrait être ajustée en fonction de la taille des personnes; la formation des juges est importante pour maximiser la précision de la pose des marqueurs; et des marqueurs montés sur des tiges devraient faciliter l’évaluation des courbures vertébrales sagittales. En conclusion, l’outil développé dans le cadre de cette thèse possède de bonnes propriétés psychométriques et permet une évaluation globale de la posture. Cet outil devrait contribuer à l’amélioration de la pratique clinique en facilitant l’analyse de la posture debout et assise. Cet outil s’avère une alternative clinique pour suivre l’évolution de la scoliose thoracique et diminuer la fréquence des radiographies au cours du suivi de jeunes atteints d’une SI thoracique. Cet outil pourrait aussi être utile pour vérifier l’efficacité des interventions thérapeutiques sur la posture.

Étude de la coalescence de nanogouttelettes par dynamique moléculaire

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée.

Le plan-séquence chez Kenji Mizoguchi

Cette recherche porte sur le langage cinématographique (ou mode de représentation) adopté par Mizoguchi en contraste avec le style classique hollywoodien. Notre hypothèse est que le refus de Mizoguchi de recourir au découpage classique et au gros-plan procurerait au spectateur une expérience de perception qui tendrait à se rapprocher de celle vécue par un spectateur de théâtre ou le témoin d’une action se déroulant dans notre monde physique. Mizoguchi a débuté son métier au début des années 1920. Le cinéma japonais venait tout juste de prendre la voie d’un art nouveau en quittant son statut de simple captation de spectacles théâtraux. L’industrie cinématographique japonaise était alors en incubation marquée par diverses influences occidentales. Nous nous pencherons plus particulièrement sur les questions stylistiques à partir du moment où le cinéma japonais s’engageait dans le parlant en imitant le style classique hollywoodien. Ce cinéma dominant devenait une norme que Mizoguchi décida de ne pas suivre pour préférer un style caractérisé par des plans-séquences. Ce style plus « neutre » et «objectif » allait être encensé par Bazin après la guerre au moment où ce dernier découvrit notamment Welles et Wyler. À partir de plusieurs extraits filmiques, nous analysons le plan-séquence mizoguchien comme substitution à une série de plans rapprochés qui se serait imposé normalement avec le style classique hollywoodien. Et ce, afin de discuter des enjeux de réalisme et de théâtralité soulevés par Bazin.

The influence of environmental contaminants on time to pregnancy

Cette thèse porte sur l’évaluation de l’impact de certains composés environnementaux sur la fécondité féminine, tel que mesuré par le délai de conception (« time to pregnancy » en anglais, ou TTP). Cette recherche a été réalisée dans le cadre de l’Étude mère-enfant sur les composés chimiques de l’environnement (MIREC), une cohorte de grossesse de 2001 femmes recrutées durant le premier trimestre dans dix villes canadiennes de 2008 à 2011. Les données des questionnaires et les échantillons biologiques ont servi à évaluer l’effet de deux groupes de composés : les persistants [composés perfluorés – perfluorooctanesulfonate (PFOS), perfluorooctanoate (PFOA) et perfluorohexane sulfonate (PFHxS)] et les non persistants (bisphénol A, triclosan et phtalates). Cette thèse comprend également une analyse du potentiel du ratio index-annulaire (2D:4D) comme mesure de sensibilité endocrinienne. À ce jour, des mesures anthropométriques ont été collectées sur environ 800 mères-enfants dans le cadre de l’Étude mère-enfant sur les composés chimiques de l’environnement : biomonitoring et neurodéveloppement à la petite enfance (MIREC CD Plus), un suivi de la cohorte MIREC portant sur la croissance et le développement des enfants jusqu’à 5 ans. Sur l’ensemble, les résultats de cette thèse permettent d’étoffer les preuves concernant les effets adverses potentiels de plusieurs contaminants environnementaux sur la fécondité féminine, telle que mesurée par le TTP. Dans le premier article, nous avons montré une association entre les PFOA et les PFHxS et une baisse de fécondité, ce que d’autres recherches avaient déjà révélé. Dans le deuxième article, nous avons évalué l’effet du triclosan sur le TTP, ce qui n’avait jamais été examiné, pour montrer un délai plus élevé chez les femmes du quartile supérieur d’exposition. De plus, nos résultats sont en accord avec ceux de la seule étude ayant évalué l’effet du Bisphénol A sur la fécondité féminine, qui n’avait pas détecté d’effet. Finalement, nos données semblent indiquer une association entre l’exposition des femmes aux phtalates et un TTP plus court, mais ces résultats ne sont pas statistiquement significatifs. En ce qui a trait au potentiel du ratio index-annuaire (2D:4D) pour mesurer la sensibilité endocrinienne chez les femmes, nos données ne permettent pas d’établir une association entre ce ratio et le TTP. Pour ce qui est des enfants, nous n’avons pas trouvé d’effet adverse entre le tabagisme de la mère durant la grossesse et leur ratio 2D:4D. Par conséquent, nos données ne semblent pas justifier l’utilisation du ratio 2D:4D pour mesurer la sensibilité endocrinienne en lien avec le potentiel reproducteur (basé sur le TTP) ou l’exposition des enfants au tabac durant le premier trimestre de grossesse.

Spectrum simulation of rough and nanostructured targets from their 2D and 3D image by Monte Carlo methods

Corteo is a program that implements Monte Carlo (MC) method to simulate ion beam analysis (IBA) spectra of several techniques by following the ions trajectory until a sufficiently large fraction of them reach the detector to generate a spectrum. Hence, it fully accounts for effects such as multiple scattering (MS). Here, a version of Corteo is presented where the target can be a 2D or 3D image. This image can be derived from micrographs where the different compounds are identified, therefore bringing extra information into the solution of an IBA spectrum, and potentially significantly constraining the solution. The image intrinsically includes many details such as the actual surface or interfacial roughness, or actual nanostructures shape and distribution. This can for example lead to the unambiguous identification of structures stoichiometry in a layer, or at least to better constraints on their composition. Because MC computes in details the trajectory of the ions, it simulates accurately many of its aspects such as ions coming back into the target after leaving it (re-entry), as well as going through a variety of nanostructures shapes and orientations. We show how, for example, as the ions angle of incidence becomes shallower than the inclination distribution of a rough surface, this process tends to make the effective roughness smaller in a comparable 1D simulation (i.e. narrower thickness distribution in a comparable slab simulation). Also, in ordered nanostructures, target re-entry can lead to replications of a peak in a spectrum. In addition, bitmap description of the target can be used to simulate depth profiles such as those resulting from ion implantation, diffusion, and intermixing. Other improvements to Corteo include the possibility to interpolate the cross-section in angle-energy tables, and the generation of energy-depth maps.