Études des mécanismes d'action du monoxyde d'azote impliqués dans la dépression synaptique à la jonction neuromusculaire

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du mécanisme de facilitation de la libération de dopamine par la neurotensine

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Modulation of the actin cytoskeleton in the folliculo-stellate cell line TtT/GF by serum factors

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Seawater carbonate chemistry and energy status in the periwinkle Littorina littorea during experiments, 2011

In the future, marine organisms will face the challenge of coping with multiple environmental changes associated with increased levels of atmospheric Pco2, such as ocean warming and acidification. To predict how organisms may or may not meet these challenges, an in-depth understanding of the physiological and biochemical mechanisms underpinning organismal responses to climate change is needed. Here, we investigate the effects of elevated Pco2 and temperature on the whole-organism and cellular physiology of the periwinkle Littorina littorea. Metabolic rates (measured as respiration rates), adenylate energy nucleotide concentrations and indexes, and end-product metabolite concentrations were measured. Compared with values for control conditions, snails decreased their respiration rate by 31% in response to elevated Pco2 and by 15% in response to a combination of increased Pco2 and temperature. Decreased respiration rates were associated with metabolic reduction and an increase in end-product metabolites in acidified treatments, indicating an increased reliance on anaerobic metabolism. There was also an interactive effect of elevated Pco2 and temperature on total adenylate nucleotides, which was apparently compensated for by the maintenance of adenylate energy charge via AMP deaminase activity. Our findings suggest that marine intertidal organisms are likely to exhibit complex physiological responses to future environmental drivers, with likely negative effects on growth, population dynamics, and, ultimately, ecosystem processes.

The white gene and locomotor recovery from anoxia in Drosophila melanogaster

Locomotor recovery from anoxia is complicated and little is known about the molecular and cellular mechanisms regulating anoxic recovery in Drosophila. For this thesis I established a protocol for large-scale analysis of locomotor activity in adult flies with exposure to a transient anoxia. Using this protocol I observed that wild-type Canton-S flies recovered faster and more consistently from anoxia than the white-eyed mutant w1118, which carries a null allele of w1118 in an isogenic genetic background. Both Canton-S and w1118 are commonly used controls in the Drosophila community. Genetic analysis including serial backcrossing, RNAi knockdown, w+ duplication to Y chromosome as well as gene mutation revealed a strong association between the white gene and the timing of locomotor recovery. I also found that the locomotor recovery phenotype is independent of white-associated eye pigmentation, that heterozygous w+ allele was haplo-insufficient to induce fast and consistent locomotor recovery from anoxia in female flies, and that mini-white is insufficient to promote fast and consistent locomotor recovery. Moreover, locomotor recovery was delayed in flies with RNAi knockdown of white in subsets of serotonin neurons in the central nervous system. I further demonstrated that mutations of phosphodiesterase genes (PDE) displayed wild-type-like fast and consistent locomotor recovery, and that locomotor recovery was light-sensitive in the night in w1118. The delayed locomotor recovery and the light sensitivity were eliminated in PDE mutants that were dual-specific or cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-specific. Up-regulation of cGMP using multiple approaches including PDE mutation, sildenafil feeding or specific expression of an atypical soluble guanylyl cyclase (Gyc88E) was sufficient to suppress w-RNAi induced delay of locomotor recovery. Taken together, these data strongly support the hypothesis that White transports cGMP and promotes fast and consistent locomotor recovery from anoxia.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.

De la mémoire de l’histoire à la refonte des encyclopédies: médiations symboliques du roman francophone

Cette recherche porte sur dix romans d’auteurs francophones : Monnè, outrages et défis, d’Ahmadou Kourouma ; La mère du printemps et Naissance à l’aube, de Driss Chraïbi ; L’escargot entêté et Les 1001 années de nostalgie, de Rachid Boudjedra ; La déchirure et Le régiment noir, d’Henry Bauchau ; Prochain épisode, Trou de mémoire et L’antiphonaire, d’Hubert Aquin. Au-delà des différences sociohistoriques de leurs origines, les œuvres accusent des fortes similitudes tant au niveau de l’écriture qu’au plan de leur thématique. Nourries – pour la plupart – de l’expérience de vie des auteurs, elles s’ancrent dans l’époque ou convoquent les événements du passé (invasions, colonisation, guerres, résistances) afin de produire une intelligence de l’Histoire. Par métonymisation, cette dernière s’incarne dans un « Je » narrateur halluciné, blessé à l’origine et psychologiquement décomposé, qui engage désespérement l’écriture pour dire son mal être et, peut-être s’en guérir. La fiction de soi sert de moyen pour écrire l’Histoire et celle-ci se confond avec le récit, le discours sur le roman en train de s’écrire tendant à devenir l’objet même de la narration. Dans une autre perspective, prenant le détour de l’allégorie, les textes montrent à travers des événements plus anciens, même vécus ailleurs, des motifs et des figures qui illustrent le mécanisme cyclique, les modes de fabrication de l’Histoire, et témoignent de la résistance des peuples ainsi que de leurs stratégies de survie. Par une approche herméneutique, s’inspirant aussi du paradigme de « mort et naissance » à l’aune duquel Pierre Nepveu lit la littérature québécoise, cette analyse met en lumière la médiation symbolique à l’œuvre dans les romans. Tout en mettant en scène la déshérence des sujets (individuels ou collectifs) et l’impasse historique, ils proposent d’inventer des voies de dépassement. En montrant que les fausses évidences et tout « ce-qui-va-de-soi » dans les imaginaires ont été à l’origine choisis et fabriqués en réponse à des besoins contingents, les fictions du roman francophone attirent notre attention sur un principe majeur de regénération des mondes : une tradition, une culture, une civilisation s’invente ; précisément, elle invente le temps et, inversement, le temps la réinvente.

Relation entre la représentation de la maladie et le bien-être subjectif et psychologique chez des patients atteints de cancer

L’annonce d’un diagnostic de cancer a un impact important sur l’individu. En se basant sur des informations sociales, environnementales et personnelles, celui-ci tentera de se représenter la maladie. Cette représentation constitue une grille d’informations cognitives et émotionnelles servant à donner un sens à la maladie et y réagir. Le modèle d’autorégulation de Leventhal propose qu’en fonction de sa représentation de la maladie, un individu mettra de l’avant différentes stratégies d’adaptation; ultimement, ces stratégies auront un impact sur l’issue de la maladie dont le niveau de bien-être. La présente recherche propose de considérer l’avenue tant hédonique qu’eudémonique du bien-être, en y incluant le bien-être subjectif, correspondant aux affects positifs et négatifs et à la satisfaction de vie et le bien-être psychologique correspondant à un état d’épanouissement personnel. L’étude a pour objectif principal de documenter les liens entre les dimensions cognitives et émotionnelles de la représentation de la maladie et les dimensions du bien-être subjectif (avenue hédonique) et le bien-être psychologique (avenue eudémonique). Plus précisément, les hypothèses postulent qu’une représentation plus positive de la maladie a pour effet d’augmenter le bien-être subjectif et psychologique. Les hypothèses postulent que la dimension de la représentation émotionnelle de la maladie joue un rôle médiateur entre les dimensions cognitives de la représentation de la maladie et le bien-être subjectif et psychologique. Pour atteindre ces objectifs, 70 participants âgés entre 31 et 75 ans ayant été atteints de cancer dans les cinq dernières années ont été recrutés. Les données ont été recueillies à l’aide de questionnaires autorapportés : un questionnaire sociodémographique, les versions francophones du Revised Illness Perception Questionnaire (IPQ-R : Moss-Morris et al., 2002), du Positive and Negative Affect Scale (PANAS ; Watson, Clark, & Tellegen, 1988), du Satisfaction with Life Scale (Diener, Emmons, Larsen, & Griffin, 1985) et du The Scales of Psychological Well-Being (Ryff & Essex, 1992). Des analyses statistiques de régressions multiples et de médiation ont été réalisées à l’aide du logiciel Statistical Package for Social Sciences (SPSS). Les résultats indiquent que seulement certaines dimensions de la représentation de la maladie exercent un effet unique sur le bien-être subjectif et/ou psychologique soit le contrôle personnel perçu, la représentation émotionnelle de la maladie, les conséquences perçues de la maladie et le cours aigu/chronique de la maladie. La représentation émotionnelle de la maladie semble exercer un effet médiateur complet entre certaines dimensions cognitives de la représentation de la maladie et les niveaux de bien-être. C’est le cas pour l’identité, le cours aigu/chronique de la maladie, le cours cyclique de la maladie, les conséquences perçues de la maladie et l’efficacité perçue du traitement, lorsque mis en lien avec les affects négatifs. C’est aussi le cas pour l’identité et le cours cyclique de la maladie, lorsque mis en lien avec la satisfaction de vie, et pour le cours cyclique de la maladie et les conséquences perçues de la maladie, lorsque mis en lien avec le bien-être psychologique. Les affects positifs associés au volet affectif du bien-être subjectif ne sont pas affectés par la représentation de la maladie.

Simplified design method for energy dissipating devices in retrofitting of seismically isolated bridges

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method.

Towards a performance based design of shear walls based on damage criteria = Vers un dimensionnement performanciel des murs de refend basé sur des critères d'endommagement

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe.

Étude du comportement des piles de pont confinées de PRFC par écoute acoustique

Une structure en béton armé est sujette à différents types de sollicitations. Les tremblements de terre font partie des événements exceptionnels qui induisent des sollicitations extrêmes aux ouvrages. Pour faire face à cette problématique, les codes de calcul des ponts routiers font appel à une approche basée sur des niveaux de performance qui sont rattachés à des états limites. Actuellement, les états limites d'une pile de ponts en béton armé (BA) confinée à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) proposés dans la littérature ne prennent pas en compte le confinement lié au chemisage de PRFC en combinaison avec celui des spirales d'acier. Ce projet de recherche était la suite du volet de contrôle non destructif d'une étude réalisée en 2012 qui comprenait un volet expérimental [Carvalho, 2012] et un volet numérique [Jean, 2012]. L'objectif principal était de compléter l'étude du comportement des poteaux en BA renforcés de PRFC soumis à un chargement cyclique avec les données acoustiques recueillies par St-Martin [2014]. Plus précisément, les objectifs spécifiques étaient de déterminer les états limites reliés aux niveaux de performance et de caractériser la signature acoustique de chaque état limite (p. ex. fissuration du béton, plastification de l'acier et rupture du PRFC). Une méthodologie d'analyse acoustique basée sur l'état de l'art de Behnia et al. [2014] a été utilisée pour quantifier la gravité, localiser et caractériser le type de dommages. Dans un premier temps, les données acoustiques provenant de poutres de 550 mm x 150 mm x 150 mm ont permis de caractériser la signature acoustique des états limites. Puis, des cinq spécimens d'essai construits en 2012, les données acoustiques de trois spécimens, soient des poteaux circulaires d'un diamètre de 305 mm et d'une hauteur de 2000 mm ont été utilisée pour déterminer les états limites. Lors de ces essais, les données acoustiques ont été recueillies avec 14 capteurs de résonances qui étaient reliés à un système multicanal et au logiciel AEwin SAMOS 5.23 de Physical Acoustics Corporation (PAC) [PAC, 2005] par St-Martin [2014]. Une analyse de la distribution des paramètres acoustiques (nbr. de comptes et énergie absolue) combiné à la localisation des événements et le regroupement statistique, communément appelé clustering, ont permis de déterminer les états limites et même, des signes précurseurs à l'atteinte de ces états limites (p. ex. l'initiation et la propagation des fissures, l'éclatement de l'enrobage, la fissuration parallèle aux fibres et l'éclatement du PRFC) qui sont rattachés aux niveaux de performances des poteaux conventionnels et confinés de PRFC. Cette étude a permis de caractériser la séquence d'endommagement d'un poteau en BA renforcé de PRFC tout en démontrant l'utilité de l'écoute acoustique pour évaluer l'endommagement interne des poteaux en temps réel. Ainsi, une meilleure connaissance des états limites est primordiale pour intégrer les PRFC dans la conception et la réhabilitation des ouvrages.

A SUBSET OF 3´ TO 5´ EXORIBONUCLEASES ARE THE PRIMARY ENZYMES RESPONSIBLE FOR THE DEGRADATION OF PGPG IN CYCLIC DI-GMP SIGNALING

Bis-(3´-5´)-cyclic dimeric guanosine monophosphate, or cyclic di-GMP (c-di-GMP) is a ubiquitous bacterial second messenger that regulates processes such biofilm formation, motility, and virulence. C-di-GMP is synthesized by diguanylate cyclases (DGCs), while phosphodiesterases (PDE-As) end signaling by linearizing c-di-GMP to 5ʹ-phosphoguanylyl-(3ʹ,5ʹ)-guanosine (pGpG), which is then hydrolyzed to two GMPs by previously unidentified enzymes termed PDE-Bs. To identify the PDE-B responsible for pGpG turnover, a screen for pGpG binding proteins in a Vibrio cholerae open reading frame library was conducted to identify potential pGpG binding proteins. This screen led to identification of oligoribonuclease (Orn). Purified Orn binds to pGpG and can cleave pGpG to GMP in vitro. A deletion mutant of orn in Pseudomonas aeruginosa was highly defective in pGpG turnover and accumulated pGpG. Deletion of orn also resulted in accumulation c-di-GMP, likely through pGpG-mediated inhibition of the PDE-As, causing an increase in c-di-GMP-governed auto-aggregation and biofilm. Thus, we found that Orn serves as the primary PDE-B enzyme in P. aeruginosa that removes pGpG, which is necessary to complete the final step in the c-di-GMP degradation pathway. However, not all bacteria that utilize c-di-GMP signaling also have an ortholog of orn, suggesting that other PDE-Bs must be present. Therefore, we asked whether RNases that cleave small oligoribonucleotides in other species could also act as PDE-Bs. NrnA, NrnB, and NrnC can rapidly degrade pGpG to GMP. Furthermore, they can reduce the elevated aggregation and biofilm formation in P. aeruginosa ∆orn. Together, these results indicate that rather than having a single dedicated PDE-B, different bacteria utilize distinct RNases to cleave pGpG and complete c-di-GMP signaling. The ∆orn strain also has a growth defect, indicating changes in other regulatory processes that could be due to pGpG accumulation, c-di-GMP accumulation, or another effect due to loss of Orn. We sought to investigate the genetic pathways responsible for these growth defect phenotypes by use of a transposon suppressor screen, and also investigated transcriptional changes using RNA-Seq. This work identifies that c-di-GMP degradation intersects with RNA degradation at the point of the Orn and the functionally related RNases.

Valeur pronostique de CD73 et des lymphocytes T CD8 et optimisation de la vaccination de type GVAX dans le cancer de la prostate

CD73 est un ecto-enzyme qui a été associé à la suppression de l'immunité anti-tumorale. Ses valeurs pronostiques et thérapeutiques ont été mises de l'avant dans plusieurs types de cancer. La première hypothèse du projet est que l'expression de CD73 dans la tumeur prédit le pronostic des patients atteints du cancer de la prostate. L'expression de CD73 a été étudiée par immunofluorescence dans des échantillons de tumeur. Puis, des analyses univariées et multivariées ont été conduites pour déterminer si l'expression de CD73 permet de prédire la récidive biochimique des patients. Nous avons déterminé que CD73 prédit indépendamment le pronostic des patients atteints du cancer de la prostate. De plus, nous avons déterminé que son expression dans le tissu normal adjacent ou dans la tumeur prédit différemment la survenue de la récidive biochimique. La deuxième hypothèse est que l'inhibition de CD73 permet d'améliorer l'efficacité d'un vaccin thérapeutique contre le cancer de la prostate. L'effet d'un vaccin de type GVAX a été étudié dans des souris CD73KO ou en combinaison avec un anticorps ciblant CD73. Nous avons observé que l'efficacité du vaccin était augmentée dans les souris où CD73 était absent. Cependant, la combinaison avec l'anti-CD73 n'a pas permis d'améliorer l'efficacité.

Protein quality and distribution determines anabolic signaling, cellular energetics, and body composition

Building and maintaining muscle is critical to the quality of life for adults and elderly. Physical activity and nutrition are important factors for long-term muscle health. In particular, dietary protein – including protein distribution and quality – are under-appreciated determinants of muscle health for adults. The most unequivocal evidence for the benefit of optimal dietary protein at individual meals is derived from studies of weight management. During the catabolic condition of weight loss, higher protein diets attenuate loss of lean tissue and partition weight loss to body fat when compared with commonly recommended high carbohydrate, low protein diets. Muscle protein turnover is a continuous process in which proteins are degraded, and replaced by newly synthesized proteins. Muscle growth occurs when protein synthesis exceeds protein degradation. Regulation of protein synthesis is complex, with multiple signals influencing this process. The mammalian target of rapamycin (mTORC1) pathway has been identified as a particularly important regulator of protein synthesis, via stimulation of translation initiation. Key regulatory points of translation initiation effected by mTORC1 include assembly of the eukaryotic initiation factor 4F (eIF4F) complex and phosphorylation of the 70 kilodalton ribosomal protein S6 kinase (S6K1). Assembly of the eIF4F initiation complex involves phosphorylation of the inhibitory eIF4E binding protein-1 (4E-BP1), which releases the initiation factor eIF4E and allows it to bind with eIF4G. Binding of eIF4E with eIF4G promotes preparation of the mRNA for binding to the 43S pre-initiation complex. Consumption of the amino acid leucine (Leu) is a key factor determining the anabolic response of muscle protein synthesis (MPS) and mTORC1 signaling to a meal. Research from this dissertation demonstrates that the peak activation of MPS following a complete meal is proportional to the Leu content of a meal and its ability to elevate plasma Leu. Leu has also been implicated as an inhibitor of muscle protein degradation (MPD). In particular, there is evidence suggesting that in muscle wasting conditions Leu supplementation attenuates expression of the ubiquitin-proteosome pathway, which is the primary mode of intracellular protein degradation. However, this is untested in healthy, physiological feeding models. Therefore, an experiment was performed to see if feeding isonitrogenous protein sources with different Leu contents to healthy adult rats would differentially impact ubiquitin-proteosome (protein degradation) outcomes; and if these outcomes are related to the meal responses of plasma Leu. Results showed that higher Leu diets were able to attenuate total proteasome content but had no effect on ubiquitin proteins. This research shows that dietary Leu determines postprandial muscle anabolism. In a parallel line of research, the effects of dietary Leu on changes in muscle mass overtime were investigated. Animals consuming higher Leu diets had larger gastrocnemius muscle weights; furthermore, gastrocnemius muscle weights were correlated with postprandial changes in MPS (r=0.471, P<0.01) and plasma Leu (r=0.400, P=0.01). These results show that the effect of Leu on ubiquitin-proteosome pathways is minimal for healthy adult rats consuming adequate diets. Thus, long-term changes in muscle mass observed in adult rats are likely due to the differences in MPS, rather than MPD. Factors determining the duration of Leu-stimulated MPS were further investigated. Despite continued elevations in plasma Leu and associated translation initiation factors (e.g., S6K1 and 4E-BP1), MPS returned to basal levels ~3 hours after a meal. However, administration of additional nutrients in the form of carbohydrate, Leu, or both ~2 hours after a meal was able to extend the elevation of MPS, in a time and dose dependent manner. This effect led to a novel discovery that decreases in translation elongation activity was associated with increases in activity of AMP kinase, a key cellular energy sensor. This research shows that the Leu density of dietary protein determines anabolic signaling, thereby affecting cellular energetics and body composition.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.