Phénotypage métabolique du coeur sain et malade basé sur l'analyse d'isotopomères de masse marqués au carbone 13 : implications du citrate.

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

Étude de la dysfonction vasculaire mésentérique dans l'endotoxémie et évaluation des inhibiteurs des voies du monoxyde d'azote

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

Synthèses et caractérisations de copolymères organométalliques biodégradables et biocompatibles à base de salicylidènes pour des applications pharmaceutiques

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

Seawater carbonate chemistry and biological processes during experiments with spider crab Hyas araneus, 2009

Future scenarios for the oceans project combined developments of CO2 accumulation and global warming and their impact on marine ecosystems. The synergistic impact of both factors was addressed by studying the effect of elevated CO2 concentrations on thermal tolerance of the cold-eurythermal spider crab Hyas araneus from the population around Helgoland. Here ambient temperatures characterize the southernmost distribution limit of this species. Animals were exposed to present day normocapnia (380 ppm CO2), CO2 levels expected towards 2100 (710 ppm) and beyond (3000 ppm). Heart rate and haemolymph PO2 (PeO2) were measured during progressive short term cooling from 10 to 0°C and during warming from 10 to 25°C. An increase of PeO2 occurred during cooling, the highest values being reached at 0°C under all three CO2 levels. Heart rate increased during warming until a critical temperature (Tc) was reached. The putative Tc under normocapnia was presumably >25°C, from where it fell to 23.5°C under 710 ppm and then 21.1°C under 3000 ppm. At the same time, thermal sensitivity, as seen in the Q10 values of heart rate, rose with increasing CO2concentration in the warmth. Our results suggest a narrowing of the thermal window of Hyas araneus under moderate increases in CO2 levels by exacerbation of the heat or cold induced oxygen and capacity limitation of thermal tolerance.

Differential acid-base regulation in various gills of the green crab Carcinus maenas: Effects of elevated environmental pCO2

Euryhaline decapod crustaceans possess an efficient regulation apparatus located in the gill epithelia, providing a high adaptation potential to varying environmental abiotic conditions. Even though many studies focussed on the osmoregulatory capacity of the gills, acid-base regulatory mechanisms have obtained much less attention. In the present study, underlying principles and effects of elevated pCO2 on acid-base regulatory patterns were investigated in the green crab Carcinus maenas acclimated to diluted seawater. In gill perfusion experiments, all investigated gills 4-9 were observed to up-regulate the pH of the hemolymph by 0.1-0.2 units. Anterior gills, especially gill 4, were identified to be most efficient in the equivalent proton excretion rate. Ammonia excretion rates mirrored this pattern among gills, indicating a linkage between both processes. In specimen exposed to elevated pCO2 levels for at least 7 days, mimicking a future ocean scenario as predicted until the year 2300, hemolymph K+ and ammonia concentrations were significantly elevated, and an increased ammonia excretion rate was observed. A detailed quantitative gene expression analysis revealed that upon elevated pCO2 exposure, mRNA levels of transcripts hypothesized to be involved in ammonia and acid-base regulation (Rhesus-like protein, membrane-bound carbonic anhydrase, Na+/K+-ATPase) were affected predominantly in the non-osmoregulating anterior gills.

Raloxifene therapy does not affect uterine blood flow in postmenopausal women: a transvaginal Doppler study

AZEVEDO, George Dantas de et al. Raloxifene therapy does not affect uterine blood flow in postmenopausal women: a transvaginal Doppler study. Maturitas, Amsterdam, v.47, n.3, p.195-200, 2004

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.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Contrôle adaptatif d'un bioréacteur cardiaque par algorithme génétique

Un bon fonctionnement du coeur humain est primordial pour maintenir une bonne qualité de vie. Cependant, lorsque le coeur est défaillant, certaines interventions chirurgicales s’avèrent nécessaires pour prolonger l’espérance de vie. Dans le cadre d’un projet multidisciplinaire reliant le génie mécanique avec le domaine biomédical, notre équipe travaille sur la fabrication de valves cardiaques conçues entièrement par génie tissulaire. Pour y parvenir, il est important d’obtenir des propriétés mécaniques optimales pour les tissus biologiques. Afin d’obtenir ces propriétés mécaniques, un outil important a été fabriqué lors d’une étude antérieure : le bioréacteur cardiaque. Le bioréacteur cardiaque permet de reproduire l’environnement physiologique du coeur, notamment les conditions de débit et de pression. Il est crucial de bien contrôler ces conditions, car celles-ci jouent un rôle important lors du conditionnement des substituts valvulaires. Toutefois, il est complexe de contrôler simultanément ces deux conditions de manière efficace. C’est pourquoi notre équipe s’est concentrée sur le développement d’une nouvelle stratégie de contrôle afin que le bioréacteur puisse reproduire le plus fidèlement possible l’environnement physiologique. Plusieurs techniques de contrôle ont été essayés jusqu’à maintenant. Par contre, leur précision était généralement limitée. Une nouvelle approche a donc été envisagée et est présentée dans ce mémoire. Cette nouvelle approche pour le contrôle du bioréacteur est basée sur un type d’algorithme bien connu mais encore très peu utilisé en contrôle : les algorithmes génétiques. Cette approche prometteuse nous a permis de produire des résultats dépassant tous ceux obtenus jusqu’à maintenant pour l’une des deux conditions, soit le débit physiologique.

Intolérence à l'effort en hypertension artérielle pulmonaire : Implication des déterminants périphériques

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie caractérisée par l’augmentation progressive des résistances vasculaires pulmonaires causant une augmentation de la pression artérielle pulmonaire qui mène au décès prématuré des patients. Malgré une amélioration rapide ces dernières années des traitements spécifiques, les patients souffrant d’HTAP demeurent dyspnéiques et intolérants à l’effort. L’atteinte vasculaire pulmonaire est actuellement irréversible. Elle est également la source de plusieurs anomalies au niveau des systèmes cardiovasculaires, ventilatoires et musculaires constituant les principaux déterminants physiologiques de la capacité à l’effort des patients. Cette thèse a investigué différentes facettes de la tolérance à l’effort en HTAP : les différents mécanismes ayant un impact sur l’apport musculaire en oxygène, l’altération des voies de signalisation cellulaire impliquées dans l’angiogenèse musculaire et les mécanismes ayant un impact sur la régulation du débit sanguin et l’oxygénation cérébrale en HTAP. Nous avons premièrement documenté une diminution de l’apport en oxygène aux muscles squelettiques à l’effort des patients en relation avec une diminution de la densité capillaire musculaire. Ce défaut d’angiogenèse corrélait d’ailleurs avec la capacité à l’effort des sujets. Par la suite, nous avons étudié les voies de signalisations cellulaires de l’angiogenèse musculaire. Ces résultats ont permis de démontrer une diminution de l’expression de miR-126, unique aux patients HTAP, qui était responsable de la diminution de la densité capillaire et qui contribuait à leur intolérance à l’effort. De plus, il était possible de moduler in vivo l’expression de miR-126. L’expérimentation in vivo, à l’aide d’un modèle murin d’HTAP, a permis de rétablir l’expression de miR-126, d’augmenter la microcirculation musculaire et d’améliorer la tolérance à l’effort des animaux, ce qui met en lumière le potentiel thérapeutique de l’angiogenèse musculaire pour améliorer la capacité à l’effort en HTAP. Notre dernier projet a démontré que les patients HTAP présentaient une diminution de débit sanguin cérébral. Ce projet a également démontré que les changements de pression artérielle sont moins bien amortis par les vaisseaux cérébraux des patients et que leurs vaisseaux cérébraux étaient moins réactifs aux changements de CO2. Les patients présentaient aussi une augmentation de la sensibilité des chémorécepteurs centraux qui contribuait à augmenter leur ventilation au repos, mais aussi à l’exercice. Finalement, à l’effort, nous avons démontré que le débit sanguin cérébral des patients HTAP était principalement influencé par la pression artérielle alors que chez les sujets sains, le débit sanguin cérébral était influencé principalement par la PETCO2. Nous avons également démontré que les patients HTAP présentaient une diminution progressive de leur oxygénation cérébrale, qui corrélait avec leur capacité à l’effort. Les résultats obtenus au cours de ce doctorat démontrent bien que la capacité à l’effort en HTAP est aussi déterminée par plusieurs anomalies physiopathologiques périphériques.

Computer simulations of soft particles in flow

Understanding the dynamics of blood cells is a crucial element to discover biological mechanisms, to develop new efficient drugs, design sophisticated microfluidic devices, for diagnostics. In this work, we focus on the dynamics of red blood cells in microvascular flow. Microvascular blood flow resistance has a strong impact on cardiovascular function and tissue perfusion. The flow resistance in microcirculation is governed by flow behavior of blood through a complex network of vessels, where the distribution of red blood cells across vessel cross-sections may be significantly distorted at vessel bifurcations and junctions. We investigate the development of blood flow and its resistance starting from a dispersed configuration of red blood cells in simulations for different hematocrits, flow rates, vessel diameters, and aggregation interactions between red blood cells. Initially dispersed red blood cells migrate toward the vessel center leading to the formation of a cell-free layer near the wall and to a decrease of the flow resistance. The development of cell-free layer appears to be nearly universal when scaled with a characteristic shear rate of the flow, which allows an estimation of the length of a vessel required for full flow development, $l_c \approx 25D$, with vessel diameter $D$. Thus, the potential effect of red blood cell dispersion at vessel bifurcations and junctions on the flow resistance may be significant in vessels which are shorter or comparable to the length $l_c$. The presence of aggregation interactions between red blood cells lead in general to a reduction of blood flow resistance. The development of the cell-free layer thickness looks similar for both cases with and without aggregation interactions. Although, attractive interactions result in a larger cell-free layer plateau values. However, because the aggregation forces are short-ranged at high enough shear rates ($\bar{\dot{\gamma}} \gtrsim 50~\text{s}^{-1}$) aggregation of red blood cells does not bring a significant change to the blood flow properties. Also, we develop a simple theoretical model which is able to describe the converged cell-free-layer thickness with respect to flow rate assuming steady-state flow. The model is based on the balance between a lift force on red blood cells due to cell-wall hydrodynamic interactions and shear-induced effective pressure due to cell-cell interactions in flow. We expect that these results can also be used to better understand the flow behavior of other suspensions of deformable particles such as vesicles, capsules, and cells. Finally, we investigate segregation phenomena in blood as a two-component suspension under Poiseuille flow, consisting of red blood cells and target cells. The spatial distribution of particles in blood flow is very important. For example, in case of nanoparticle drug delivery, the particles need to come closer to microvessel walls, in order to adhere and bring the drug to a target position within the microvasculature. Here we consider that segregation can be described as a competition between shear-induced diffusion and the lift force that pushes every soft particle in a flow away from the wall. In order to investigate the segregation, on one hand, we have 2D DPD simulations of red blood cells and target cell of different sizes, on the other hand the Fokker-Planck equation for steady state. For the equation we measure force profile, particle distribution and diffusion constant across the channel. We compare simulation results with those from the Fokker-Planck equation and find a very good correspondence between the two approaches. Moreover, we investigate the diffusion behavior of target particles for different hematocrit values and shear rates. Our simulation results indicate that diffusion constant increases with increasing hematocrit and depends linearly on shear rate. The third part of the study describes development of a simulation model of complex vascular geometries. The development of the model is important to reproduce vascular systems of small pieces of tissues which might be gotten from MRI or microscope images. The simulation model of the complex vascular systems might be divided into three parts: modeling the geometry, developing in- and outflow boundary conditions, and simulation domain decomposition for an efficient computation. We have found that for the in- and outflow boundary conditions it is better to use the SDPD fluid than DPD one because of the density fluctuations along the channel of the latter. During the flow in a straight channel, it is difficult to control the density of the DPD fluid. However, the SDPD fluid has not that shortcoming even in more complex channels with many branches and in- and outflows because the force acting on particles is calculated also depending on the local density of the fluid.