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Utilisation d’un modèle de co-culture cellulaire pour l’évaluation in vitro du transport inverse du cholestérol

De nouveaux modèles cellulaires in vitro par transfert de milieu et par coculture ont été mis au point afin d’évaluer la capacité des HDL à éliminer l’excès de cholestérol des tissus périphériques et de le transporter vers le foie afin d’être excrété par le foie, un processus nommé le transport inverse du cholestérol (TIC). Le système cellulaire par transfert in vitro où des macrophages J774 sont gorgés de LDL acétylées et marqués au 3H-cholestérol a été préalablement établi afin de mesurer par scintillation l’efflux de cholestérol marqué vers le milieu de culture contenant des accepteurs de cholestérol. Ce milieu conditionné est transféré sur des cellules HepG2 afin d’étudier l’influx du cholestérol marqué. Ce dernier nous permet d’observer un transport de cholestérol de 25 % hors des J774 et un transport de 39 000 cpm dans les HepG2 en utilisant un milieu contenant 2 % de sérums humains mis en commun. Une stimulation des cellules J774 par l’AMPc augmente l’efflux et l’influx d’environ 45 %. Des tests de preuve de concept ont été effectués sur le système cellulaire par co-culture qui utilise des chambres de Boyden où les J774 sont localisées au fond d’un puits et les HepG2 dans un insert, et où le milieu est partagé entre les deux types cellulaires. On a déterminé qu’une confluence densité de 60 000 cellules/cm2 sur un insert constitué d’une membrane de polyester avec des pores de 3,0 μm, sans autre revêtement, permet d’observer un influx spécifique au sérum d’environ 6 000 cpm associés aux cellules HepG2, où 50 % des comptes radioactifs sont dans les cellules et l’autre moitié présente à la surface cellulaire.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Integration of virus-like particle macromolecular bioreceptors in electrochemical biosensors

Rapid, sensitive and selective detection of chemical hazards and biological pathogens has shown growing importance in the fields of homeland security, public safety and personal health. In the past two decades, efforts have been focusing on performing point-of-care chemical and biological detections using miniaturized biosensors. These sensors convert target molecule binding events into measurable electrical signals for quantifying target molecule concentration. However, the low receptor density and the use of complex surface chemistry in receptors immobilization on transducers are common bottlenecks in the current biosensor development, adding to the cost, complexity and time. This dissertation presents the development of selective macromolecular Tobacco mosaic virus-like particle (TMV VLP) biosensing receptor, and the microsystem integration of VLPs in microfabricated electrochemical biosensors for rapid and performance-enhanced chemical and biological sensing. Two constructs of VLPs carrying different receptor peptides targeting at 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) explosive or anti-FLAG antibody are successfully bioengineered. The VLP-based TNT electrochemical sensor utilizes unique diffusion modulation method enabled by biological binding between target TNT and receptor VLP. The method avoids the influence from any interfering species and environmental background signals, making it extremely suitable for directly quantifying the TNT level in a sample. It is also a rapid method that does not need any sensor surface functionalization process. For antibody sensing, the VLPs carrying both antibody binding peptides and cysteine residues are assembled onto the gold electrodes of an impedance microsensor. With two-phase immunoassays, the VLP-based impedance sensor is able to quantify antibody concentrations down to 9.1 ng/mL. A capillary microfluidics and impedance sensor integrated microsystem is developed to further accelerate the process of VLP assembly on sensors and improve the sensitivity. Open channel capillary micropumps and stop-valves facilitate localized and evaporation-assisted VLP assembly on sensor electrodes within 6 minutes. The VLP-functionalized impedance sensor is capable of label-free sensing of antibodies with the detection limit of 8.8 ng/mL within 5 minutes after sensor functionalization, demonstrating great potential of VLP-based sensors for rapid and on-demand chemical and biological sensing.

INTEGRATED THRESHOLD-ACTIVATED FEEDBACK MICROSYSTEM FOR REAL-TIME CHARACTERIZATION, SENSING AND TREATMENT OF BACTERIAL BIOFILMS

Biofilms are the primary cause of clinical bacterial infections and are impervious to typical amounts of antibiotics, necessitating very high doses for treatment. Therefore, it is highly desirable to develop new alternate methods of treatment that can complement or replace existing approaches using significantly lower doses of antibiotics. Current standards for studying biofilms are based on end-point studies that are invasive and destroy the biofilm during characterization. This dissertation presents the development of a novel real-time sensing and treatment technology to aid in the non-invasive characterization, monitoring and treatment of bacterial biofilms. The technology is demonstrated through the use of a high-throughput bifurcation based microfluidic reactor that enables simulation of flow conditions similar to indwelling medical devices. The integrated microsystem developed in this work incorporates the advantages of previous in vitro platforms while attempting to overcome some of their limitations. Biofilm formation is extremely sensitive to various growth parameters that cause large variability in biofilms between repeated experiments. In this work we investigate the use of microfluidic bifurcations for the reduction in biofilm growth variance. The microfluidic flow cell designed here spatially sections a single biofilm into multiple channels using microfluidic flow bifurcation. Biofilms grown in the bifurcated device were evaluated and verified for reduced biofilm growth variance using standard techniques like confocal microscopy. This uniformity in biofilm growth allows for reliable comparison and evaluation of new treatments with integrated controls on a single device. Biofilm partitioning was demonstrated using the bifurcation device by exposing three of the four channels to various treatments. We studied a novel bacterial biofilm treatment independent of traditional antibiotics using only small molecule inhibitors of bacterial quorum sensing (analogs) in combination with low electric fields. Studies using the bifurcation-based microfluidic flow cell integrated with real-time transduction methods and macro-scale end-point testing of the combination treatment showed a significant decrease in biomass compared to the untreated controls and well-known treatments such as antibiotics. To understand the possible mechanism of action of electric field-based treatments, fundamental treatment efficacy studies focusing on the effect of the energy of the applied electrical signal were performed. It was shown that the total energy and not the type of the applied electrical signal affects the effectiveness of the treatment. The linear dependence of the treatment efficacy on the applied electrical energy was also demonstrated. The integrated bifurcation-based microfluidic platform is the first microsystem that enables biofilm growth with reduced variance, as well as continuous real-time threshold-activated feedback monitoring and treatment using low electric fields. The sensors detect biofilm growth by monitoring the change in impedance across the interdigitated electrodes. Using the measured impedance change and user inputs provided through a convenient and simple graphical interface, a custom-built MATLAB control module intelligently switches the system into and out of treatment mode. Using this self-governing microsystem, in situ biofilm treatment based on the principles of the bioelectric effect was demonstrated by exposing two of the channels of the integrated bifurcation device to low doses of antibiotics.

Experimental study of the turbulent field behind a perforated vortex generator

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Qubit state estimation and enhancement by quantum thermal noise

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Determinization of timed Petri nets behaviors

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Numerical enclosures of the optimal cost of the Kantorovitch’s mass transportation problem

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Supervisory control of (max,+) automata: extensions towards applications

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On the quality of acoustical measures when evaluating fruits quality

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Refined composite multiscale permutation entropy to overcome multiscale permutation entropy length dependence

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Optimization of quantum states for signaling across an arbitrary qubit noise channel with minimum-error detection

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