Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

A systems approach to cardiovascular health and disease with a focus on aortic wave dynamics

Cardiovascular diseases (CVDs) have reached an epidemic proportion in the US and worldwide with serious consequences in terms of human suffering and economic impact. More than one third of American adults are suffering from CVDs. The total direct and indirect costs of CVDs are more than $500 billion per year. Therefore, there is an urgent need to develop noninvasive diagnostics methods, to design minimally invasive assist devices, and to develop economical and easy-to-use monitoring systems for cardiovascular diseases. In order to achieve these goals, it is necessary to gain a better understanding of the subsystems that constitute the cardiovascular system. The aorta is one of these subsystems whose role in cardiovascular functioning has been underestimated. Traditionally, the aorta and its branches have been viewed as resistive conduits connected to an active pump (left ventricle of the heart). However, this perception fails to explain many observed physiological results. My goal in this thesis is to demonstrate the subtle but important role of the aorta as a system, with focus on the wave dynamics in the aorta.

The operation of a healthy heart is based on an optimized balance between its pumping characteristics and the hemodynamics of the aorta and vascular branches. The delicate balance between the aorta and heart can be impaired due to aging, smoking, or disease. The heart generates pulsatile flow that produces pressure and flow waves as it enters into the compliant aorta. These aortic waves propagate and reflect from reflection sites (bifurcations and tapering). They can act constructively and assist the blood circulation. However, they may act destructively, promoting diseases or initiating sudden cardiac death. These waves also carry information about the diseases of the heart, vascular disease, and coupling of heart and aorta. In order to elucidate the role of the aorta as a dynamic system, the interplay between the dominant wave dynamic parameters is investigated in this study. These parameters are heart rate, aortic compliance (wave speed), and locations of reflection sites. Both computational and experimental approaches have been used in this research. In some cases, the results are further explained using theoretical models.

The main findings of this study are as follows: (i) developing a physiologically realistic outflow boundary condition for blood flow modeling in a compliant vasculature; (ii) demonstrating that pulse pressure as a single index cannot predict the true level of pulsatile workload on the left ventricle; (iii) proving that there is an optimum heart rate in which the pulsatile workload of the heart is minimized and that the optimum heart rate shifts to a higher value as aortic rigidity increases; (iv) introducing a simple bio-inspired device for correction and optimization of aortic wave reflection that reduces the workload on the heart; (v) deriving a non-dimensional number that can predict the optimum wave dynamic state in a mammalian cardiovascular system; (vi) demonstrating that waves can create a pumping effect in the aorta; (vii) introducing a system parameter and a new medical index, Intrinsic Frequency, that can be used for noninvasive diagnosis of heart and vascular diseases; and (viii) proposing a new medical hypothesis for sudden cardiac death in young athletes.

Cardiovascular disease in Europe 2015 : epidemiological update

This article provides an update for 2015 on the burden of cardiovascular disease (CVD), with a particular focus on coronary heart disease (CHD) and stroke, across the countries of Europe. Cardiovascular disease is still the most common cause of death within Europe, causing almost two times as many deaths as cancer across the continent. Although there is clear evidence, where data are available, that mortality from CHD and stroke has decreased substantially over the last 5–10 years, there are still large inequalities found between European countries, in both current rates of death and the rate at which these decreases have occurred. Similarly, rates of treatment, particularly surgical intervention, differ widely between those countries for which data are available, indicating a range of inequalities between them. This is also the first time in the series that we use the 2013 European Standard Population (ESP) to calculate age-standardized death rates (ASDRs). This new standard results in ASDRs around two times as large as the 1976 ESP for CVD conditions such as CHD but changes little the relative rankings of countries according to ASDR.

Estimating the effect of long-term physical activity on cardiovascular disease and mortality: evidence from the Framingham Heart Study

OBJECTIVE: In the majority of studies, the effect of physical activity (PA) on cardiovascular disease (CVD) and mortality is estimated at a single time point. The impact of long-term PA is likely to differ. Our study objective was to estimate the effect of long-term adult-life PA compared with long-term inactivity on the risk of incident CVD, all-cause mortality and CVD-attributable mortality. DESIGN: Observational cohort study. SETTING: Framingham, MA, USA. PATIENTS: 4729 Framingham Heart Study participants who were alive and CVD-free in 1956. EXPOSURES: PA was measured at three visits over 30 years along with a variety of risk factors for CVD. Cumulative PA was defined as long-term active versus long-term inactive. MAIN OUTCOME MEASURES: Incident CVD, all-cause mortality and CVD-attributable mortality. RESULTS: During 40 years of follow-up there were 2594 cases of incident CVD, 1313 CVD-attributable deaths and 3521 deaths. Compared with long-term physical inactivity, the rate ratio of long-term PA was 0.95 (95% CI 0.84 to 1.07) for CVD, 0.81 (0.71 to 0.93) for all-cause mortality and 0.83 (0.72 to 0.97) for CVD-attributable mortality. Assessment of effect modification by sex suggests greater protective effect of long-term PA on CVD incidence (p value for interaction=0.004) in men (0.79 (0.66 to 0.93)) than in women (1.15 (0.97 to 1.37)). CONCLUSIONS: Cumulative long-term PA has a protective effect on incidence of all-cause and CVD-attributable mortality compared with long-term physical inactivity. In men, but not women, long-term PA also appears to have a protective effect on incidence of CVD.