Novel Approaches to Myocardial Perfusion: 3D First-Pass CMR Perfusion Imaging and Oxygenation-Sensitive

This article reviews technical aspects and the current status of novel cardiovascular magnetic resonance (CMR) approaches to assessing myocardial perfusion, specifically oxygenation-sensitive magnetic resonance imaging, comparing their diagnostic targets and clinical role with those of other imaging approaches. The paper includes discussions of relevant pathophysiological aspects of myocardial ischemia and the clinical context of revascularization in patients with suspected or known coronary artery disease. Research using oxygenation-sensitive CMR may play an important role for a better understanding of the interplay of coronary artery stenosis, blood flow reduction, and their impact on actual myocardial ischemia.

Breathing manoeuvre-dependent changes in myocardial oxygenation in healthy humans.

AIMS CO₂ is an intrinsic vasodilator for cerebral and myocardial blood vessels. Myocardial vasodilation without a parallel increase of the oxygen demand leads to changes in myocardial oxygenation. Because apnoea and hyperventilation modify blood CO₂, we hypothesized that voluntary breathing manoeuvres induce changes in myocardial oxygenation that can be measured by oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance (CMR). METHODS AND RESULTS Fourteen healthy volunteers were studied. Eight performed free long breath-hold as well as a 1- and 2-min hyperventilation, whereas six aquatic athletes were studied during a 60-s breath-hold and a free long breath-hold. Signal intensity (SI) changes in T₂*-weighted, steady-state free precession, gradient echo images at 1.5 T were monitored during breathing manoeuvres and compared with changes in capillary blood gases. Breath-holds lasted for 35, 58 and 117 s, and hyperventilation for 60 and 120 s. As expected, capillary pCO₂ decreased significantly during hyperventilation. Capillary pO₂ decreased significantly during the 117-s breath-hold. The breath-holds led to a SI decrease (deoxygenation) in the left ventricular blood pool, while the SI of the myocardium increased by 8.2% (P = 0.04), consistent with an increase in myocardial oxygenation. In contrast, hyperventilation for 120 s, however, resulted in a significant 7.5% decrease in myocardial SI/oxygenation (P = 0.02). Change in capillary pCO₂ was the only independently correlated variable predicting myocardial oxygenation changes during breathing manoeuvres (r = 0.58, P < 0.01). CONCLUSION In healthy individuals, breathing manoeuvres lead to changes in myocardial oxygenation, which appear to be mediated by CO₂. These changes can be monitored in vivo by oxygenation-sensitive CMR and thus, may have value as a diagnostic tool.

Hyperoxia Exacerbates Myocardial Ischemia in the Presence of Acute Coronary Artery Stenosis in Swine.

BACKGROUND Current guidelines limit the use of high oxygen tension after return of spontaneous circulation after cardiac arrest, focusing on neurological outcome and mortality. Little is known about the impact of hyperoxia on the ischemic heart. Oxygen is frequently administered and is generally expected to be beneficial. This study seeks to assess the effects of hyperoxia on myocardia oxygenation in the presence of severe coronary artery stenosis in swine. METHODS AND RESULTS In 22 healthy pigs, we surgically attached a magnetic resonance compatible flow probe to the left anterior descending coronary artery (LAD). In 11 pigs, a hydraulic occluder was inflated distal to the flow probe. After increasing PaO2 to >300 mm Hg, LAD flow decreased in all animals. In 8 stenosed animals with a mean fractional flow reserve of 0.64±0.02, hyperoxia resulted in a significant decrease of myocardial signal intensity in oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance images of the midapical segments of the LAD territory. This was not seen in remote myocardium or in the other 8 healthy animals. The decreased signal intensity was accompanied by a decrease in circumferential strain in the same segments. Furthermore, ejection fraction, cardiac output, and oxygen extraction ratio declined in these animals. Changing PaCO2 levels did not have a significant effect on any of the parameters; however, hypercapnia seemed to nonsignificantly attenuate the hyperoxia-induced changes. CONCLUSIONS Ventilation-induced hyperoxia may decrease myocardial oxygenation and lead to ischemia in myocardium subject to severe coronary artery stenosis.

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.

Cardiac T2-mapping using a fast gradient echo spin echo sequence - first in vitro and in vivo experience

Background: The aim of this study was the evaluation of a fast Gradient Spin Echo Technique (GraSE) for cardiac T2-mapping, combining a robust estimation of T2 relaxation times with short acquisition times. The sequence was compared against two previously introduced T2-mapping techniques in a phantom and in vivo. Methods: Phantom experiments were performed at 1.5 T using a commercially available cylindrical gel phantom. Three different T2-mapping techniques were compared: a Multi Echo Spin Echo (MESE; serving as a reference), a T2-prepared balanced Steady State Free Precession (T2prep) and a Gradient Spin Echo sequence. For the subsequent in vivo study, 12 healthy volunteers were examined on a clinical 1.5 T scanner. The three T2-mapping sequences were performed at three short-axis slices. Global myocardial T2 relaxation times were calculated and statistical analysis was performed. For assessment of pixel-by-pixel homogeneity, the number of segments showing an inhomogeneous T2 value distribution, as defined by a pixel SD exceeding 20 % of the corresponding observed T2 time, was counted. Results: Phantom experiments showed a greater difference of measured T2 values between T2prep and MESE than between GraSE and MESE, especially for species with low T1 values. Both, GraSE and T2prep resulted in an overestimation of T2 times compared to MESE. In vivo, significant differences between mean T2 times were observed. In general, T2prep resulted in lowest (52.4 +/- 2.8 ms) and GraSE in highest T2 estimates (59.3 +/- 4.0 ms). Analysis of pixel-by-pixel homogeneity revealed the least number of segments with inhomogeneous T2 distribution for GraSE-derived T2 maps. Conclusions: The GraSE sequence is a fast and robust sequence, combining advantages of both MESE and T2prep techniques, which promises to enable improved clinical applicability of T2-mapping in the future. Our study revealed significant differences of derived mean T2 values when applying different sequence designs. Therefore, a systematic comparison of different cardiac T2-mapping sequences and the establishment of dedicated reference values should be the goal of future studies.

Mapping tissue inhomogeneity in acute myocarditis: a novel analytical approach to quantitative myocardial edema imaging by T2-mapping

BACKGROUND: The purpose of the present study was to investigate the diagnostic value of T2-mapping in acute myocarditis (ACM) and to define cut-off values for edema detection. METHODS: Cardiovascular magnetic resonance (CMR) data of 31 patients with ACM were retrospectively analyzed. 30 healthy volunteers (HV) served as a control. Additionally to the routine CMR protocol, T2-mapping data were acquired at 1.5 T using a breathhold Gradient-Spin-Echo T2-mapping sequence in six short axis slices. T2-maps were segmented according to the 16-segments AHA-model and segmental T2 values as well as the segmental pixel-standard deviation (SD) were analyzed. RESULTS: Mean differences of global myocardial T2 or pixel-SD between HV and ACM patients were only small, lying in the normal range of HV. In contrast, variation of segmental T2 values and pixel-SD was much larger in ACM patients compared to HV. In random forests and multiple logistic regression analyses, the combination of the highest segmental T2 value within each patient (maxT2) and the mean absolute deviation (MAD) of log-transformed pixel-SD (madSD) over all 16 segments within each patient proved to be the best discriminators between HV and ACM patients with an AUC of 0.85 in ROC-analysis. In classification trees, a combined cut-off of 0.22 for madSD and of 68 ms for maxT2 resulted in 83% specificity and 81% sensitivity for detection of ACM. CONCLUSIONS: The proposed cut-off values for maxT2 and madSD in the setting of ACM allow edema detection with high sensitivity and specificity and therefore have the potential to overcome the hurdles of T2-mapping for its integration into clinical routine.

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.

Conventional and novel cardiovascular risk factors in young Finns and their associations with structural and functional vascular changes of subclinical atherosclerosis. The Cardiovascular Risk in Young Finns Study

Background: Atherosclerosis begins in early life progressing from asymptomatic to symptomatic as we age. Although substantial progress has been made in identifying the determinants of atherosclerosis in middle to older age adults at increased cardiovascular risk, there is lack of data examining determinants and prediction of atherosclerosis in young adults. Aims: The current study was designed to investigate levels of cardiovascular risk factors in young adults, subclinical measures of atherosclerosis, and prediction of subclinical arterial changes with conventional risk factor measures and novel metabolic profiling of serum samples. Subjects and Methods: This thesis utilised data from the follow-ups performed in 2001 and 2007 in the Cardiovascular Risk in Young Finns study, a Finnish population-based prospective cohort study that examined 2,204 subjects who were aged 30-45 years in 2007. Subclinical atherosclerosis was studied using noninvasive ultrasound measurements of carotid intima-media thickness (IMT), carotid arterial distensibility (CDist) and brachial flow-mediated dilation (FMD). Measurements included conventional risk factors and metabolic profiling using highthroughput nuclear magnetic resonance (NMR) methods that provided data on 42 lipid markers and 16 circulating metabolites. Results: Trends in lipids were favourable between 2001 and 2007, whereas waist circumference, fasting glucose, and blood pressure levels increased. To study the stability of noninvasive ultrasound markers, 6-year tracking (the likelihood to maintain the original fractile over time) in 6 years was examined. IMT tracked more strongly than CDist and FMD. Cardiovascular risk scores (Framingham, SCORE, Finrisk, Reynolds and PROCAM) predicted subclinical atherosclerosis equally. Lipoprotein subclass testing did not improve the prediction of subclinical atherosclerosis over and above conventional risk factors. However, circulating metabolites improved risk stratification. Tyrosine and docosahexaenoic acid were found to be novel biomarkers of high IMT. Conclusions: Prediction of cardiovascular risk in young Finnish adults can be performed with any of the existing risk scores. The addition of metabonomics to risk stratification improves prediction of subclinical changes and enables more accurate targeting of prevention at an early stage.

Cardiovascular magnetization transfer ratio imaging compared with histology: A postmortem study

Cardiovascular magnetization transfer ratio (MTR) imaging by steady state free precession is a promising imaging method to assess microstructural changes within the myocardium. Hence, MTR imaging was correlated to histological analysis. Three postmortem cases were selected based on a suspicion of myocardial infarction. MTR and T2 -weighted (T2w ) imaging was performed, followed by autopsy and histological analysis. All tissue abnormalities, identified by autopsy or histology, were retrospectively selected on visually matched MTR and T2w images, and corresponding MTR values compared with normal appearing tissue. Regions of elevated MTR (up to approximately 20%, as compared to normal tissue), appearing hypo-intense in T2w -images, revealed the presence of fibrous tissue in microscopic histological analysis. Macroscopic observation (autopsy) described scar tissue only in one case. Regions of reduced MTR (up to approximately 20%) corresponded either to (i) the presence of edema, appearing hyperintense in T2w -images and confirmed by autopsy, or to (ii) inflammatory granulocyte infiltration at a microscopic level, appearing as hypo-intense T2w -signal, but not observed by autopsy. Findings from cardiovascular MTR imaging corresponded to histology results. In contrast to T2w -imaging, MTR imaging discriminated between normal myocardium, scar tissue and regions of acute myocardial infarction in all three cases. J. Magn. Reson. Imaging 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

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

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

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

How new imaging techniques can aid in defining the cardiovascular profile of the high-risk patient

Cardiovascular prevention has been developed in the last eight years producing an ever increasing amount of data requiring frequent updating. Studies using angiography to determine change in coronary obstruction have indicated progression, stabilization, or regression of coronary lesions associated with changes in plasma lipids and lipoproteins. Moreover, the guidelines on arterial hypertension published in 2007 listed the risk factors affecting prognosis but even by 2009 an update modified not only the list of risks, but even the philosophy behind the thought process which introduced as essential element in the prognosis of hypertension the ascertained existence of a damaged organ. Thus, the documentation of atherosclerotic vascular disease (plaques) and the quantification of its extension in the arterial tree became a determinant in the definition of cardiovascular risk. Magnetic Resonance (MRI) and coronary computed tomography (coro CT) applied to the heart and large vessels are the most promising methods.