Étude de la Structure-Fonction du Prosegment et du domaine CHRD de la PCSK9 humaine

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR.

Caractérisation des réponses du PMLS au mouvement de deuxième ordre (modulé par le contraste)

La perception visuelle ne se résume pas à la simple perception des variations de la quantité de lumière qui atteint la rétine. L’image naturelle est en effet composée de variation de contraste et de texture que l’on qualifie d’information de deuxième ordre (en opposition à l’information de premier ordre : luminance). Il a été démontré chez plusieurs espèces qu’un mouvement de deuxième ordre (variation spatiotemporelle du contraste ou de la texture) est aisément détecté. Les modèles de détection du mouvement tel le modèle d’énergie d’Adelson et Bergen ne permettent pas d’expliquer ces résultats, car le mouvement de deuxième ordre n’implique aucune variation de la luminance. Il existe trois modèles expliquant la détection du mouvement de deuxième ordre : la présence d’une circuiterie de type filter-rectify-filter, un mécanisme de feature-tracking ou simplement l’existence de non-linéarités précoces dans le traitement visuel. Par ailleurs, il a été proposé que l’information visuelle de deuxième ordre soit traitée par une circuiterie neuronale distincte de celle qui traite du premier ordre. Bon nombre d’études réfutent cependant cette théorie et s’entendent sur le fait qu’il n’y aurait qu’une séparation partielle à bas niveau. Les études électrophysiologiques sur la perception du mouvement de deuxième ordre ont principalement été effectuées chez le singe et le chat. Chez le chat, toutefois, seules les aires visuelles primaires (17 et 18) ont été extensivement étudiées. L’implication dans le traitement du deuxième ordre de l’aire dédiée à la perception du mouvement, le Sulcus syprasylvien postéro-médian latéral (PMLS), n’est pas encore connue. Pour ce faire, nous avons étudié les profils de réponse des neurones du PMLS évoqués par des stimuli dont la composante dynamique était de deuxième ordre. Les profils de réponses au mouvement de deuxième ordre sont très similaires au premier ordre, bien que moins sensibles. Nos données suggèrent que la perception du mouvement par le PMLS serait de type form-cue invariant. En somme, les résultats démontrent que le PMLS permet un traitement plus complexe du mouvement du deuxième ordre et sont en accord avec son rôle privilégié dans la perception du mouvement.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

Utilisation d’agrafes chirurgicales dans le suivi de tumeurs hépatiques appliquée à des traitements de radiochirurgie stéréotaxique par CyberKnife

Des avancements récents dans le domaine de la radiothérapie stéréotaxique permettent à un nombre grandissant de patients de recevoir un traitement non-invasif pour le cancer du foie. L’une des méthodes utilisées consiste à suivre le mouvement de la tumeur à l’aide de marqueurs radio-opaques insérés dans le foie grâce au système de suivi de l’appareil de traitement CyberKnife. Or, l’insertion de ces marqueurs est parfois trop invasive pour certains patients souffrant de maladie du foie avancée. Ces patients ont souvent un historique de chirurgie qui permet d’utiliser les agrafes chirurgicales déjà présentes dans leur foie dans le but de suivre leur tumeur. Cette nouvelle approche au traitement des tumeurs du foie est investiguée dans cette étude afin d’en déterminer les paramètres optimaux pour une meilleure pratique thérapeutique. L’expérimentation sur fantôme anthropomorpique a permis de conclure que le contraste des agrafes dans leur milieu augmente lors de l’augmentation des paramètres d’imagerie (kilovoltage et milliampérage de l’appareil de radiographie). D’autre part, l’erreur commise par le système CyberKnife dans l’identification des agrafes pour le suivi a été mesurée comme étant supérieure à celle sur l’emplacement des marqueurs radiologiques de platine (environ 1 mm contre moins de 1 mm). Cette erreur est considérée comme acceptable dans le contexte de ce type de traitement particulier. Enfin, une analyse gamma de l’impact dosimétrique du suivi par agrafes a montré qu’il était approximativement équivalent à celui par marqueurs de platine. De ces observations on conclue que le traitement des tumeurs du foie avec suivi des agrafes chirurgicales est valide et peut être amélioré suivant certaines recommandations cliniques.

Hepatic GABAA receptor functional regulation during rat liver cell proliferation

Gamma aminohutyric acid (GAB A.) receptor tunctionaI status was artaIV se(l in pa It ial hcpatcctoIn ised.II'II). lead nitrate (LN) induced hyperplastic and N-nifrosodiethylantinc INDEAI treated nctplastic rat Iivers during peak DNA synthesis. The high-affinity I'HJGALA binding significantly decreased in PII and NDEi\ rats and the receptor affinity decreased in NDEA and increased in LN rats compared with control . in NDEA. displacement analysis of I'I IIGABA with muscimol showed loss of low-allinity site and a shill of high-allinity cite towards low-allinity . ' 1 he affinity sites shifted towards high-affinity in LN rats. 'file number of low-allinity 1'I Ilhicuc)lline receptors decreased cignilic:uttly in NDEA and I'll whereas it increased in LN rats. (ir\Bi\t receptor :gunist. unrscinrul. disc dependcnllyinhihilcd epidermal growth factor IEGI--) induced DNA synthesis :uul enhanced the tr:utsfnrnting grmvth )actor (Il I I'(il (tlI mediated DNA synthesis suppression in prim:uy hepalucvte cultures . Our results suggest that GABA,t reccjhtor act as an inhibitory signal fur hepatic cell prolifctatiun.

Adrenergic and serotonergic function in dna synthesis during rat liver regeneration and in hepatocyte cultures

The adult mammalian liver is predominantly in a quiescent state with respect to cell division. This quiescent state changes dramatically, however, if the liver is injured by toxic, infectious or mechanic agents (Ponder, 1996). Partial hepatectomy (PH) which consists of surgical removal of two-thirds of the liver, has been used to stimulate hepatocyte proliferation (Higgins & Anderson 1931). This experimental model of liver regeneration has been the target of many studies to probe the mechanisms responsible for liver cell growth control (Michalopoulos, 1990; Taub, 1996). After PH most of the remaining cells in the renmant liver respond with co-ordinated waves of DNA synthesis and divide in a process called compensatory hyperplasia. Hence, liver regeneration is a model of relatively synchronous cell cycle progression in vivo. In contrast to hepatomas, cell division is terminated under some intrinsic control when the original cellular mass has been regained. This has made liver regeneration a useful model to dissect the biochemical and molecular mechanisms of cell division regulation. The liver is thus, one of the few adult organs that demonstrates a physiological growth rewonse (Fausto & Mead, 1989; Fausto & Webber, 1994). The regulation of liver cell proliferation involves circulating or intrahepatic factors that are involved in either the priming of hepatocytes to enter the cell cycle (Go to G1) or progression through the cell cycle. In order to understand the basis of liver regeneration it is mandatory to define the mechanisms which (a) trigger division, (b) allow the liver to concurrently grow and maintain dilferentiated fimction and (c) terminate cell proliferation once the liver has reached the appropriate mass. Studies on these aspects of liver regeneration will provide basic insight of cell growth and dilferentiation, liver diseases like viral hepatitis, toxic damage and liver transplant where regeneration of the liver is essential. In the present study, Go/G1/S transition of hepatocytes re-entering the cell cycle after PH was studied with special emphasis on the involvement of neurotransmitters, their receptors and second messenger function in the control of cell division during liver regeneration

Ultrasound Image Despeckling using Local Binary Pattern Weighted Linear Filtering

Speckle noise formed as a result of the coherent nature of ultrasound imaging affects the lesion detectability. We have proposed a new weighted linear filtering approach using Local Binary Patterns (LBP) for reducing the speckle noise in ultrasound images. The new filter achieves good results in reducing the noise without affecting the image content. The performance of the proposed filter has been compared with some of the commonly used denoising filters. The proposed filter outperforms the existing filters in terms of quantitative analysis and in edge preservation. The experimental analysis is done using various ultrasound images

Effect of nuclear motion on the energy eigenvalues in muonic atoms

I have investigated the effect of the nuclear motion on the energy eigenvalues in muonic atoms. In addition to the usually used reduced-mass correction, I have calculated the relativistic influences including the magnetic and retardation interaction between the nucleus and the muon for the inner orbitals of muonic atoms.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Enhanced Reality Visualization in a Surgical Environment

Enhanced reality visualization is the process of enhancing an image by adding to it information which is not present in the original image. A wide variety of information can be added to an image ranging from hidden lines or surfaces to textual or iconic data about a particular part of the image. Enhanced reality visualization is particularly well suited to neurosurgery. By rendering brain structures which are not visible, at the correct location in an image of a patient's head, the surgeon is essentially provided with X-ray vision. He can visualize the spatial relationship between brain structures before he performs a craniotomy and during the surgery he can see what's under the next layer before he cuts through. Given a video image of the patient and a three dimensional model of the patient's brain the problem enhanced reality visualization faces is to render the model from the correct viewpoint and overlay it on the original image. The relationship between the coordinate frames of the patient, the patient's internal anatomy scans and the image plane of the camera observing the patient must be established. This problem is closely related to the camera calibration problem. This report presents a new approach to finding this relationship and develops a system for performing enhanced reality visualization in a surgical environment. Immediately prior to surgery a few circular fiducials are placed near the surgical site. An initial registration of video and internal data is performed using a laser scanner. Following this, our method is fully automatic, runs in nearly real-time, is accurate to within a pixel, allows both patient and camera motion, automatically corrects for changes to the internal camera parameters (focal length, focus, aperture, etc.) and requires only a single image.

Stereo-Based Head Pose Tracking Using Iterative Closest Point and Normal Flow Constraint

In this text, we present two stereo-based head tracking techniques along with a fast 3D model acquisition system. The first tracking technique is a robust implementation of stereo-based head tracking designed for interactive environments with uncontrolled lighting. We integrate fast face detection and drift reduction algorithms with a gradient-based stereo rigid motion tracking technique. Our system can automatically segment and track a user's head under large rotation and illumination variations. Precision and usability of this approach are compared with previous tracking methods for cursor control and target selection in both desktop and interactive room environments. The second tracking technique is designed to improve the robustness of head pose tracking for fast movements. Our iterative hybrid tracker combines constraints from the ICP (Iterative Closest Point) algorithm and normal flow constraint. This new technique is more precise for small movements and noisy depth than ICP alone, and more robust for large movements than the normal flow constraint alone. We present experiments which test the accuracy of our approach on sequences of real and synthetic stereo images. The 3D model acquisition system we present quickly aligns intensity and depth images, and reconstructs a textured 3D mesh. 3D views are registered with shape alignment based on our iterative hybrid tracker. We reconstruct the 3D model using a new Cubic Ray Projection merging algorithm which takes advantage of a novel data structure: the linked voxel space. We present experiments to test the accuracy of our approach on 3D face modelling using real-time stereo images.

A Conservative Front Tracking Algorithm

The discontinuities in the solutions of systems of conservation laws are widely considered as one of the difficulties in numerical simulation. A numerical method is proposed for solving these partial differential equations with discontinuities in the solution. The method is able to track these sharp discontinuities or interfaces while still fully maintain the conservation property. The motion of the front is obtained by solving a Riemann problem based on the state values at its both sides which are reconstructed by using weighted essentially non oscillatory (WENO) scheme. The propagation of the front is coupled with the evaluation of "dynamic" numerical fluxes. Some numerical tests in 1D and preliminary results in 2D are presented.

Study on Granular Dynamics in Vertically Vibrated Beds using Tracking Technique

The study of granular material is of great interest to many researchers in both engineering and science communities. The importance of such a study derives from its complex rheological character and also its significant role in a wide range of industrial applications, such as coal, food, plastics, pharmaceutical, powder metallurgy and mineral processing. A number of recent reports have been focused on the physics of non-cohesive granular material submitted to vertical vibration in either experimental or theoretical approaches. Such a kind of system can be used to separate, mix and dry granular materials in industries. It exhibits different instability behaviour on its surface when under vertical vibration, for example, avalanching, surface fluidization and surface wave, and these phenomena have attracted particular interest of many researchers. However, its fundamental understanding of the instability mechanism is not yet well-understood. This paper is therefore to study the dynamics of granular motion in such a kind of system using Positron Emission Particle Tracking (PEPT), which allows the motion of a single tracer particle to be followed in a non-invasive way. Features of the solids motion such as cycle frequency and dispersion index were investigated via means of authors’ specially-written programmes. Regardless of the surface behaviour, particles are found to travel in rotational movement in horizontal plane. Particle cycle frequency is found to increase strongly with increasing vibration amplitude. Particle dispersion also increased strongly with vibration amplitude. Horizontal dispersion is observed to always exceed vertical dispersion.

Correction of shading effects in vision-based UUV localization

This paper describes the improvements achieved in our mosaicking system to assist unmanned underwater vehicle navigation. A major advance has been attained in the processing of images of the ocean floor when light absorption effects are evident. Due to the absorption of natural light, underwater vehicles often require artificial light sources attached to them to provide the adequate illumination for processing underwater images. Unfortunately, these flashlights tend to illuminate the scene in a nonuniform fashion. In this paper a technique to correct non-uniform lighting is proposed. The acquired frames are compensated through a point-by-point division of the image by an estimation of the illumination field. Then, the gray-levels of the obtained image remapped to enhance image contrast. Experiments with real images are presented

Dam wall detection and tracking using a Mechanically Scanned Imaging Sonar

In dam inspection tasks, an underwater robot has to grab images while surveying the wall meanwhile maintaining a certain distance and relative orientation. This paper proposes the use of an MSIS (mechanically scanned imaging sonar) for relative positioning of a robot with respect to the wall. An imaging sonar gathers polar image scans from which depth images (range & bearing) are generated. Depth scans are first processed to extract a line corresponding to the wall (with the Hough transform), which is then tracked by means of an EKF (Extended Kalman Filter) using a static motion model and an implicit measurement equation associating the sensed points to the candidate line. The line estimate is referenced to the robot fixed frame and represented in polar coordinates (rho&thetas) which directly corresponds to the actual distance and relative orientation of the robot with respect to the wall. The proposed system has been tested in simulation as well as in water tank conditions