Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Itä-Savon sairaanhoitopiiri Ky:n Savonlinnan keskussairaalan paikannustoiminnan kehittäminen

Terveydenhuollon ja siihen liittyvien palvelujen kustannusten jatkuva kohoaminen ja kuntien paheneva taloustilanne sekä terveydenhuollon pienenevät henkilöstöresurssit ovat lisänneet painetta toimintojen kustannustehokkaaseen toteuttamiseen. Edellä mainitusta johtuen, terveydenhuollon toimijoita kehotetaan etsimään uusia ratkaisuja, joilla voidaan taata jatkossa riittävä asiakaspalvelutaso, kustannustehokkuus ja – palvelujen turvallisuus. Tämän työn tavoitteena oli vastata kysymyksiin tunnistus- ja paikannustoiminnan hyödyntämisen mahdollisuuksista Itä-Savon sairaanhoitopiirin Savonlinnan keskussairaalassa. Tarkoituksena oli selvittää, millaisia paikannus ja tunnistusteknologiaan liittyviä tavoitteita ja vaatimuksia terveydenhuollon toimialalla ja erityisesti Itä-Savon sairaanhoitopiirissä on ja millä tavalla RFID ja WLAN – teknologioilla saadaan kehitettyä asetettuihin tavoitteisiin ja hyötyodotuksiin vastaavat ratkaisut. Työssä pyrittiin selvittämään myös millaisia rahallisia säästöjä tunnistus- ja paikannusteknologioilla voidaan saada aikaan. Työn yhteydessä kartoitettiin tarpeita ja vaatimuksia tunnistus- ja paikannusteknologian hyödyntämiseen. Tarpeet ja vaatimukset testattiin tunnistus- ja paikannuspilotissa. Lisäksi perehdyttiin kirjallisuuteen ja aiempiin tutkimuksiin tunnistus- ja paikannusteknologioista. Suunnitelman perusteella näyttää siltä, että hyödyntämällä tunnistus- ja paikannusteknologioita voitaisiin tehostaa Savonlinnan keskussairaalan toimintaa. Suunnitelman pilottivaiheen tuloksien perusteella toiminnan tehostaminen tarkoittaisi kustannussäästöjä, parantaisi potilasturvallisuutta sekä hoitotyön laatua. Tunnistus- ja paikannusteknologian käyttökohteita sairaalassa voisivat olla esimerkiksi reaaliaikaiseen prosessien ohjaaminen, kulunvalvonnan ja -ohjauksen automatisointi, potilaan automaattinen tunnistaminen, sekä sairaalan tutkimuslaitteiden seuranta.

Neutron tomography using projection data obtained by Monte Carlo simulation for nondestructive evaluation

This work present the application of a computer package for generating of projection data for neutron computerized tomography, and in second part, discusses an application of neutron tomography, using the projection data obtained by Monte Carlo technique, for the detection and localization of light materials such as those containing hydrogen, concealed by heavy materials such as iron and lead. For tomographic reconstructions of the samples simulated use was made of only six equal projection angles distributed between 0º and 180º, with reconstruction making use of an algorithm (ARIEM), based on the principle of maximum entropy. With the neutron tomography it was possible to detect and locate polyethylene and water hidden by lead and iron (with 1cm-thick). Thus, it is demonstrated that thermal neutrons tomography is a viable test method which can provide important interior information about test components, so, extremely useful in routine industrial applications.

Hemodialysis improves endothelial venous function in end-stage renal disease

The objective of the present study was to determine the acute effect of hemodialysis on endothelial venous function and oxidative stress. We studied 9 patients with end-stage renal disease (ESRD), 36.8 ± 3.0 years old, arterial pressure 133.8 ± 6.8/80.0 ± 5.0 mmHg, time on dialysis 55.0 ± 16.6 months, immediately before and after a hemodialysis session, and 10 healthy controls matched for age and gender. Endothelial function was assessed by the dorsal hand vein technique using graded local infusion of acetylcholine (endothelium-dependent venodilation, EDV) and sodium nitroprusside (endothelium-independent venodilation). Oxidative stress was evaluated by measuring protein oxidative damage (carbonyls) and antioxidant defense (total radical trapping antioxidant potential - TRAP) in blood samples. All patients were receiving recombinant human erythropoietin for at least 3 months and were not taking nitrates or a-receptor antagonists. EDV was significantly lower in ESRD patients before hemodialysis (65.6 ± 10.5) vs controls (109.6 ± 10.8; P = 0.010) and after hemodialysis (106.6 ± 15.7; P = 0.045). Endothelium-independent venodilation was similar in all comparisons performed. The hemodialysis session significantly decreased TRAP (402.0 ± 53.5 vs 157.1 ± 28.3 U Trolox/µL plasma; P = 0.001). There was no difference in protein damage comparing ESRD patients before and after hemodialysis. The magnitude of change in the EDV was correlated negatively with the magnitude of change in TRAP (r = -0.70; P = 0.037). These results suggest that a hemodialysis session improves endothelial venous function, in association with an antioxidant effect.

Effect of ozone oxidative preconditioning in preventing early radiation-induced lung injury in rats

Ionizing radiation causes its biological effects mainly through oxidative damage induced by reactive oxygen species. Previous studies showed that ozone oxidative preconditioning attenuated pathophysiological events mediated by reactive oxygen species. As inhalation of ozone induces lung injury, the aim of this study was to examine whether ozone oxidative preconditioning potentiates or attenuates the effects of irradiation on the lung. Rats were subjected to total body irradiation, with or without treatment with ozone oxidative preconditioning (0.72 mg/kg). Serum proinflammatory cytokine levels, oxidative damage markers, and histopathological analysis were compared at 6 and 72 h after total body irradiation. Irradiation significantly increased lung malondialdehyde levels as an end-product of lipoperoxidation. Irradiation also significantly decreased lung superoxide dismutase activity, which is an indicator of the generation of oxidative stress and an early protective response to oxidative damage. Ozone oxidative preconditioning plus irradiation significantly decreased malondialdehyde levels and increased the activity of superoxide dismutase, which might indicate protection of the lung from radiation-induced lung injury. Serum tumor necrosis factor alpha and interleukin-1 beta levels, which increased significantly following total body irradiation, were decreased with ozone oxidative preconditioning. Moreover, ozone oxidative preconditioning was able to ameliorate radiation-induced lung injury assessed by histopathological evaluation. In conclusion, ozone oxidative preconditioning, repeated low-dose intraperitoneal administration of ozone, did not exacerbate radiation-induced lung injury, and, on the contrary, it provided protection against radiation-induced lung damage.

Streptozotocin-induced diabetes mellitus affects lysosomal enzymes in rat liver

It has been previously shown that dextran sulfate administered to diabetic rats accumulates in the liver and kidney, and this could be due to a malfunction of the lysosomal digestive pathway. The aim of the present study was to evaluate the expression and activities of lysosomal enzymes that act upon proteins and sulfated polysaccharides in the livers of diabetic rats. Diabetes mellitus was induced by streptozotocin in 26 male Wistar rats (12 weeks old), while 26 age-matched controls received only vehicle. The livers were removed on either the 10th or the 30th day of the disease, weighed, and used to evaluate the activity, expression, and localization of lysosomal enzymes. A 50-60% decrease in the specific activities of cysteine proteases, especially cathepsin B, was observed in streptozotocin-induced diabetes mellitus. Expression (mRNA) of cathepsins B and L was also decreased on the 10th, but not on the 30th day. Sulfatase decreased 30% on the 30th day, while glycosidases did not vary (or presented a transitory and slight decrease). There were no apparent changes in liver morphology, and immunohistochemistry revealed the presence of cathepsin B in hepatocyte granules. The decrease in sulfatase could be responsible for the dextran sulfate build-up in the diabetic liver, since the action of sulfatase precedes glycosidases in the digestive pathway of sulfated polysaccharides. Our findings suggest that the decreased activities of cathepsins resulted from decreased expression of their genes, and not from general lysosomal failure, because the levels of glycosidases were normal in the diabetic liver.

Analysis of testicular cell populations using flow cytometry

Studying testis is complex, because the tissue has a very heterogeneous cell composition and its structure changes dynamically during development. In reproductive field, the cell composition is traditionally studied by morphometric methods such as immunohistochemistry and immunofluorescence. These techniques provide accurate quantitative information about cell composition, cell-cell association and localization of the cells of interest. However, the sample preparation, processing, staining and data analysis are laborious and may take several working days. Flow cytometry protocols coupled with DNA stains have played an important role in providing quantitative information of testicular cells populations ex vivo and in vitro studies. Nevertheless, the addition of specific cells markers such as intracellular antibodies would allow the more specific identification of cells of crucial interest during spermatogenesis. For this study, adult rat Sprague-Dawley rats were used for optimization of the flow cytometry protocol. Specific steps within the protocol were optimized to obtain a singlecell suspension representative of the cell composition of the starting material. Fixation and permeabilization procedure were optimized to be compatible with DNA stains and fluorescent intracellular antibodies. Optimization was achieved by quantitative analysis of specific parameters such as recovery of meiotic cells, amount of debris and comparison of the proportions of the various cell populations with already published data. As a result, a new and fast flow cytometry method coupled with DNA stain and intracellular antigen detection was developed. This new technique is suitable for analysis of population behavior and specific cells during postnatal testis development and spermatogenesis in rodents. This rapid protocol recapitulated the known vimentin and γH2AX protein expression patterns during rodent testis ontogenesis. Moreover, the assay was applicable for phenotype characterization of SCRbKO and E2F1KO mouse models.

Protein subcellular targeting inTrichoderma aggressivum f. aggressivum

Trichoderma aggressivum f. aggressivum is a filamentous soil fungus. Green mold disease of commercial mushrooms caused by this species in North America has resulted in millions of dollars in lost revenue within the mushroom growing industry. Research on the molecular level of T aggressivum have jus t begun with the goal of understanding the functions of each gene and protein, and their expression control. Protein targeting has not been well studied in this species yet. Therefore, the intent of this study was to test the protein localization and production levels in T aggressivum with green fluorescent protein (GFP) with an intron and tagged with either nuclear localization signal (NLS) or an endoplasmic reticulum retention signal (KDEL). Two GFP constructs (with and without the intron) were used as controls in this study. All four constructs were successfully transferred into T aggressivum and all modified strains showed similar growth characteristics as the wild type non-transformed isolate. GFP expression was detected from all modified T aggressivum with confocal microscopy and the expression was similar in all four strains. The intron tested in this study had no or very minor effects as GFP expression was similar with or without it. The GFP signal increased over a 5 day period for all transformants, while the GFP to total protein ratio decreased over the same period for all transformants. The GFP-KDEL transformant showed similar protein expression level and localization as did the control transformant lacking the KDEL retention signal. The GFP-NLS transformant similarly failed to localize GFP into nucleus as fluorescence with this strain was virtually identical to the GFP transformant lacking the NLS. Thus, future research is required to find effective localization signals for T aggressivum.

Rôle du gène Polycomb BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses

Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale la plus commune et létale chez l’adulte. Malgré les avancés fulgurantes dans la dernière décennie au niveau des thérapies contre le cancer, le pronostique reste inchangé. Le manque de spécificité des traitements est la cause première de la récurrence de cette tumeur. Une meilleure compréhension au niveau des mécanismes moléculaires et biologiques de cette tumeur est impérative. La découverte des cellules souches cancéreuses (CD133+) au niveau du GBM offre une nouvelle opportunité thérapeutique contre cette tumeur. Effectivement, les cellules CD133+ seraient responsables de l’établissement, le maintien et la progression du GBM. De plus, elles sont également la cause de la résistance du GBM faces aux traitements de radiothérapies. Ces cellules représentent une cible de choix dans le but d’éradiquer le GBM. L’oncogène BMI1 a été associé à plusieurs types de tumeurs et est également essentielle au maintien de différentes populations de cellules souches normales et cancéreuses. Une forte expression de BMI1 est observée au niveau du GBM et plus précisément, un enrichissement préférentiel de cette protéine est noté au niveau des cellules CD133+. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le rôle potentiel de BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses (CSC), CD133+ du GBM. La fonction principale de BMI1 est la régulation négative du locus INK4A/ARF. Ce locus est impliqué dans l’activation de deux voies majeurs anti-tumorales : P53 et RB. Or, la perte de BMI1 induit in vitro une diminution des capacités prolifératives, une augmentation de la différentiation et de l’apoptose, ainsi qu’une augmentation de la radiosensibilité des CSC du GBM indépendamment de la présence du locus INK4A/ARF. Effectivement, deux tumeurs sur trois possèdent une délétion de ce locus, ce qui suggère que BMI1 possède d’autre(s) cible(s) transcriptionnelle(s). Parmi ces nouvelles cibles ont retrouve la protéine P21, un régulateur négatif du cycle cellulaire. De plus, la perte de BMI1 inhibe l’établissement d’une tumeur cérébrale lors d’études de xénogreffe chez la souris NOD/SCID. Également, une nouvelle fonction de BMI1 indépendante de son activité transcriptionnel a été démontrée. Effectivement, suite à l’induction d’un bris double brin (BDB) de l’ADN, BMI1 est rapidement recruté au niveau de la lésion et influence le recrutement des protéines de reconnaissance du dommage à l’ADN. La perte de BMI1 mène à un défaut au niveau de la reconnaissance et la réparation de l’ADN, alors que sa surexpression induit plutôt une augmentation de ces mécanismes et procure une radiorésistance. Ces résultats décrivent pour la première fois l’importance de BMI1 au niveau du maintien, de l’auto-renouvellement et la radiorésistance des CSC du GBM. Ainsi, ces travaux démontrent que la protéine BMI1 représente une cible thérapeutique de choix dans le but d’éradiquer le GBM, une tumeur cérébrale létale.

Rôle des centrosomes dans la régulation du point de contrôle en G2/M en réponse aux dommages à l'ADN

Les centrosomes sont les centres organisateurs des microtubules et jouent un rôle crucial dans l’organisation du fuseau bipolaire pendant la mitose. Plus récemment, le rôle des centrosomes dans la régulation de l’entrée en mitose a été mis en évidence. Les centrosomes semblent également contribuer à l’activation du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions de l’ADN en servant de point de rencontre pour les régulateurs du cycle cellulaire et les gènes de réponse aux dommages à l’ADN. L’amplification du nombre de centrosomes est une caractéristique des cellules tumorales mais de façon intéressante, elle constitue aussi une réponse des cellules aux dommages à l’ADN. Les mécanismes qui régulent l’homéostasie et la dynamique des centrosomes sont encore mal compris. Pour mieux comprendre le rôle des centrosomes dans la régulation du point de contrôle en G2/M en réponse aux dommages à l’ADN, le recrutement et/ou l’activation au niveau des centrosomes des kinases impliquées dans les voies de signalisation de ce point de contrôle ont été étudiés par immunofluorescence indirecte sur cellules HeLaS3 ou par Western blot sur des fractions enrichies en centrosomes. Nos résultats montrent que les kinases ATM, ATR, CHK1 et CHK2 sont actives dans les centrosomes de cellules en phase G2. En réponse à l’activation du point de contrôle en G2/M, les formes actives de ces kinases diminuent au niveau des centrosomes. Pour identifier de nouveaux acteurs centrosomaux potentiellement impliqués dans la régulation de ce point de contrôle, une analyse comparative des protéomes de centrosomes purifiés a également été réalisée par spectrométrie de masse. Pour étudier plus particulièrement la fonction de CHK2 au niveau des centrosomes, nous avons développer des outils moléculaires qui serviront à déterminer le rôle de la sous population de CHK2 localisée aux centrosomes 1) dans la régulation de l’entrée en mitose au cours d’un cycle normal 2) dans l’activation et la stabilité du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions l’ADN et 3) dans l’homéostasie et la dynamiques des centrosomes en réponse aux dommages à l’ADN. Cette étude permettra de mieux comprendre la fonction des centrosomes dans la réponse cellulaire au stress génotoxiques anti-cancereux et de révéler de nouvelles fonctions potentielles pour la kinase CHK2.

Effect of fatty acids on hyphal growth in the pathogenic yeast Candida albicans

Candida albicans est une levure pathogène qui, à l’état commensal, colonise les muqueuses de la cavité orale et du tractus gastro-intestinal. De nature opportuniste, C. albicans cause de nombreuses infections, allant des candidoses superficielles (muguet buccal, vulvo-vaginite) aux candidoses systémiques sévères. C. albicans a la capacité de se développer sous diverses morphologies, telles que les formes levures, pseudohyphes et hyphes. Des stimuli environnementaux mimant les conditions retrouvées chez l’hôte (température de 37°C, pH neutre, présence de sérum) induisent la transition levure-à-hyphe (i.e. morphogenèse ou filamentation). Cette transition morphologique contribue à la pathogénicité de C. albicans, du fait que des souches présentant un défaut de filamentation sont avirulentes. Non seulement la morphogenèse est un facteur de virulence, mais elle constituerait aussi une cible pour le développement d’antifongiques. En effet, il a déjà été démontré que l’inhibition de la transition levure-à-hyphe atténuait la virulence de C. albicans lors d’infections systémiques. Par ailleurs, des études ont démontré que de nombreuses molécules pouvaient moduler la morphogenèse. Parmi ces molécules, certains acides gras, dont l’acide linoléique conjugué (CLA), inhibent la formation d’hyphes. Ainsi, le CLA posséderait des propriétés thérapeutiques, du fait qu’il interfère avec un déterminant de pathogénicité de C. albicans. Par contre, avant d’évaluer son potentiel thérapeutique dans un contexte clinique, il est essentiel d’étudier son mode d’action. Ce projet vise à caractériser l’activité anti-filamentation des acides gras et du CLA et à déterminer le mécanisme par lequel ces molécules inhibent la morphogenèse chez C. albicans. Des analyses transcriptomiques globales ont été effectuées afin d’obtenir le profil transcriptionnel de la réponse de C. albicans au CLA. L’acide gras a entraîné une baisse des niveaux d’expression de gènes encodant des protéines hyphes-spécifiques et des régulateurs de morphogenèse, dont RAS1. Ce gène code pour la GTPase Ras1p, une protéine membranaire de signalisation qui joue un rôle important dans la transition levure-à-hyphe. Des analyses de PCR quantitatif ont confirmé que le CLA inhibait l’induction de RAS1. De plus, le CLA a non seulement causé une baisse des niveaux cellulaires de Ras1p, mais a aussi entraîné sa délocalisation de la membrane plasmique. En affectant les niveaux et la localisation cellulaire de Ras1p, le CLA nuit à l’activation de la voie de signalisation Ras1p-dépendante, inhibant ainsi la morphogenèse. Il est possible que le CLA altère la structure de la membrane plasmique et affecte indirectement la localisation membranaire de Ras1p. Ces travaux ont permis de mettre en évidence le mode d’action du CLA. Le potentiel thérapeutique du CLA pourrait maintenant être évalué dans un contexte d’infection, permettant ainsi de vérifier qu’une telle approche constitue véritablement une stratégie pour le traitement des candidoses.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.

Implication de MEK1 et MEK2 dans l'initiation et la progression du cancer colorectal

Une dérégulation de la voie de signalisation Ras/Raf/MEK/ERK1/2 est observée dans plus de 30% des cancers et des mutations activatrices de RAS sont observées dans 30% à 50% des adénomes colorectaux. À la suite d’une analyse extensive de biopsies de tumeurs colorectales humaines par micromatrices tissulaires (TMA), nous avons observé que 44% des tissus cancéreux exprimaient MEK1/2 phosphorylés, contre 10% des tissus normaux. L'analyse des TMA a également révélé que 79% des tumeurs arboraient un marquage nucléaire de MEK1/2 phosphorylés, contre 4 % pour les tissus normaux. Bien que la voie MEK/ERK1/2 soit fréquemment activée dans les cancers, le rôle précis des isoformes de MEK1 et de MEK2 n'a jamais été clairement établie. De même, l'impact de cette localisation nucléaire aberrante de phospho-MEK1/2, dans l'initiation et la progression des cancers colorectaux, est inconnu. Lors d'un premier projet, nous avons démontré, que l’expression de MEK1 ou MEK2 activé est suffisante pour transformer in vitro des cellules intestinales épithéliales de rat (IEC-6). L'expression des mutants actifs de MEK1 ou MEK2 est suffisante pour induire une dérégulation de la prolifération cellulaire et engendrer la formation d'adénocarcinomes invasifs dans un modèle de greffe orthotopique du côlon chez la souris. Nous avons également démontré que l'inhibition de MEK2 par shRNA supprime complètement la prolifération des lignées humaines de cancer du côlon, alors que la suppression de MEK1 a peu d'effet sur la capacité de prolifération. Le deuxième projet, nous a permis d'observer que l'expression d'un mutant nucléaire de MEK1 dans les cellules IEC-6 transforme drastiquement les cellules. Une augmentation de prolifération, une résistance à l'anoikose, un dérèglement du cycle cellulaire, de l'instabilité chromosomique (CIN), de la tétra/aneuploïdie sont observés. La caractérisation des mécanismes responsables de cette localisation aberrante de MEK1/2 phosphorylés, a permis d'identifier la protéine Sef, un régulateur de la localisation cytoplasmique de MEK/ERK1/2. Nous avons démontré que l'expression d'une forme oncogénique de Ras (H-RasV12) inhibe l'expression de Sef, engendrant alors une accumulation nucléaire de MEK1/2 activés. Plus encore, la réexpression de Sef restaure la localisation cytoplasmique de MEK1/2 et renverse les propriétés tumorigéniques ainsi que l'aneuploïdie induite par Ras activé. Un troisième projet, visant la caractérisation des mécanismes associés à la CIN et à l'aneuploïde engendrés par l'activation aberrante de la voie de Ras-ERK1/2, a permis d'observer que l'hyperactivation de ERK1/2 induit des anomalies mitotiques menant à la binucléation. Une localisation erronée et une surexpression de la kinase Aurora A, de même que des protéines de passage du complexe chromosomique (CPC), Aurora B, Survivine et INCENP, sont observées. L'inhibition partielle de l'activation de ERK1/2 par de faible dose de PD184352, un inhibiteur de MEK1/2, est suffisante pour renverser la surexpression de ces régulateurs mitotiques, de même que corriger les anomalies de la mitose et réduire la tétra/aneuploïdie engendrée par Ras oncogénique. Ainsi, nous avons démontré, pour la première fois, que la voie des MAP kinases ERK1/2 est impliquée dans la CIN, la tétraploïdie et l'aneuploïdie. Nos résultats suggèrent que la perte de Sef est un événement oncogénique précoce, qui contribue à la localisation nucléaire aberrante de MEK1/2 qui est observée dans les tumeurs colorectales. Cette localisation anormale de MEK1/2 est associée à l'initiation de la transformation, la progression tumorale et la CIN, via l'activité soutenue de ERK1/2. Ces informations sont capitales et démontrent l’importance de la voie de signalisation Ras/Raf/MEK/ERK1/2 dans le processus de tumorigénèse colorectale.

Caractérisation de l'interaction de l'auto-antigène ADN topoisomérase I avec les fibroblastes dans la sclérose systémique

La sclérose systémique (ScS) est une maladie auto-immune d’origine inconnue qui est caractérisée par des atteintes vasculaires, des dérèglements cellulaire et immunitaire. La majorité des patients atteints de ScS possède des auto-anticorps dirigés contre des protéines nucléaires. Ces auto-anticorps sont associés à des manifestations cliniques spécifiques favorisant la classification et le diagnostic de la ScS. Les anti-ADN topoisomérase I (antitopo) sont l’un des principaux auto-anticorps retrouvés dans la ScS. Ils sont associés à la forme la plus grave de la maladie, soit la forme diffuse. Celle-ci se caractérise par une importante fibrose progressant vers une atteinte viscérale. La fibrose résulte d’une production excessive et dérégulée de matrice extracellulaire par les fibroblastes. Bien que les anti-topo soient associés à un très mauvais pronostic et qu’ils corrèlent avec l’activité et la sévérité de la maladie, leur rôle dans la pathogenèse de la ScS n’est pas élucidé. Toutefois, depuis que certains auto-antigènes ont démontré des fonctions additionnelles lorsque retrouvés dans le milieu extracellulaire, leur contribution suscite un intérêt marqué. En effet, ces auto-antigènes, dits bifonctionnels, influencent la physiologie de certaines cellules en se liant à leur surface. Ainsi, la détermination du rôle de ces autoantigènes ouvre la voie pour l’exploration du rôle potentiellement pathogène de leurs autoanticorps. Tout d’abord, nous avons démontré que l’auto-antigène topo, ciblée par les antitopo, pouvait influencer la physiologie du fibroblaste suite à l’activation de voies de signalisations intracellulaires stimulant la migration cellulaire. Nos résultats suggèrent fortement que la topo stimule le fibroblaste suite à son interaction avec le CCR7, un récepteur de chimiokine, présent à sa surface. Nous avons également démontré que la topo utilisait les protéoglycans à chaînes d’héparanes sulfates (HSPG) à titre de corécepteurs. Il avait été démontré que la topo liée à la surface des fibroblastes entraînait le recrutement d’anti-topo, l’adhésion et l’activation monocytaires. Nous avons ici démontré que la présence d’anticorps anti-topo entraîne l’amplification de la liaison de la topo au niveau des HSPG. De ce fait, le complexe immun à la surface des fibroblastes pourrait contribuer à l’initiation d’une cascade inflammatoire propice au développement d’une fibrose, caractéristique de la ScS. En dernier lieu, nos résultats nous ont permis de suggérer l’utilisation de l’héparine et des héparines de bas poids moléculaires comme approche thérapeutique pour la ScS puisqu’elles permettent autant de prévenir la liaison du complexe immun topo/anti-topo au niveau des HSPG que de le dissocier une fois lié. En résumé, notre étude soutient d’abord le rôle actif de l’auto-antigène dans la physiologie des fibroblastes mais également le rôle pathogène des anti-topo en présence de la topo dans la ScS. Finalement, les résultats de notre étude permettent de proposer une approche thérapeutique potentielle pour inhiber le développement d’une cascade inflammatoire et pro-fibrotique.

L'application du principe du pollueur-payeur à la gestion du risque environnemental et à la mutualisation des coûts de la pollution

Le but de cette étude est de déterminer qui paie pour le risque de pollution et par conséquent de vérifier si le principe du pollueur-payeur est effectivement mis en œuvre dans le domaine de la gestion du risque environnemental. Il s’agit d’examiner le degré de mutualisation de la gestion du risque dans différentes législations particulière. Les payeurs peuvent a priori se classer dans quatre catégories : les personnes dont l’activité contribue au risque de pollution, les compagnies d’assurance qui acceptent d’assurer ces personnes, les organismes ou autorités publics et les tiers. Divers exemples issus de la législation belge ou européenne seront examinés afin de déterminer s’ils sont conformes à la lettre et/ou à l’esprit du principe pollueur-payeur. Il s’agit notamment de la responsabilité civile, de la responsabilité environnementale, de la gestion des déchets et du marché de quotas d’émissions de gaz à effet de serre. Les techniques de responsabilité qui interviennent après que le dommage ait lieu et requièrent la démonstration de l’existence d’un lien de causalité ne permettent pas toujours d’assurer pleinement la fonction préventive du principe du pollueur-payeur. Elles ne constituent pas des instruments adéquats de gestion de la pollution diffuse ou chronique. En conséquence, des techniques de mutualisation de la gestion du risque environnemental se sont développées. Le recours à ces techniques de mutualisation (par le recours à l’assurance, aux fonds publics financés par la fiscalité environnementale ou aux marchés de droit d’émissions) est-il conforme au principe pollueur-payeur et permet-il d’atteindre l’objectif d’un niveau élevé de protection de l’environnement ? L’effet dissuasif du principe pollueur-payeur n’est-il pas amoindri par la mutualisation ? L’article montre que la définition du principe pollueur-payeur par la Cour de Justice de l’Union européenne est centrée sur la contribution au risque de pollution ce qui permet de recourir aux techniques de mutualisation de la gestion du risque tout en respectant le Traité sur le fonctionnement de l’Union européenne.