Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Effets de la nitroglycérine intraveineuse sur la saturation cérébrale hémisphérique pendant la chirurgie cardiaque à haut risque

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

Effets de la nitroglycérine intraveineuse sur la saturation cérébrale hémisphérique pendant la chirurgie cardiaque à haut risque

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

Effet de la température sur l’absorption tissulaire et systémique de l’oxaliplatine administrée par voie intrapéritonéale chez l’animal

Depuis 20 ans, certains patients porteurs d’une carcinose péritonéale sont traités par une chirurgie de cytoréduction combinée avec une chimiohyperthermie intrapéritonéale (CHIP). Bien que l’oxaliplatine (OX) soit couramment utilisée lors de CHIP, une telle utilisation chez l’humain n’est supportée que par des études de phase II et il n’y a pas d’études précliniques caractérisant les propriétés de l’OX dans le contexte d’administration intrapéritonéale. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’effet de la température sur l’absorption tissulaire et systémique de l’OX administrée par voie intrapéritonéale chez le rat. Nous avons procédé à une perfusion intrapéritonéale de 3 différentes doses d’OX à 3 différentes températures pendant 25 minutes chez une total 35 rats Sprague-Dawley, puis effectué le dosage des concentrations d’OX dans différents compartiments. Nous avons observé une augmentation linéaire (p<0,05) entre la dose d’OX administrée et sa concentration dans tous les compartiments (péritoine, mésentère, sang portal et systémique). De plus, avec l’augmentation de la température de perfusion, nous avons observé une augmentation de la concentration d’OX dans le péritoine mais une diminution de sa concentration dans les compartiments systémique et portal (p<0,05). Ces résultats démontrent donc que la dose et l’hyperthermie augmentent indépendamment la pénétration tissulaire de l’OX et que l’hyperthermie limite son absorption systémique. Ces observations suggèrent que l’hyperthermie pourrait réduire la toxicité systémique de l’OX. Pour connaître la cinétique de l’OX, des études subséquentes doivent être faites.

Le cordon ombilical humain, source de cellules pour le génie tissulaire : Isolement, caractérisation et production de substituts humains

Le cordon ombilical humain suscite beaucoup d’intérêt comme source de cellules à des fins de recherche et de thérapie. Quatre types cellulaires majeurs - les cellules épithéliales, stromales, musculaires lisses et endothéliales - composent les tissus solides du cordon ombilical. Quelques-uns de ces types cellulaires ont été utilisés en recherche scientifique depuis longtemps, alors que d’autres commencent à peine à dévoiler leur potentiel. Nous avons développé un protocole unique pour l’extraction séquentielle de tous ces types cellulaires d’un seul cordon ombilical, permettant ainsi la reconstruction à partir d’une même source. La combinaison des techniques de perfusion, immersion et explants a mené à la mise en culture et à l’expansion de ces cellules, dont les cellules épithéliales et les cellules stromales de la gelée de Wharton qui ont été caractérisées plus en détail par l’immunomarquage de protéines spécifiques. Leur potentiel pour la médecine régénératrice a été démontré par la production de tissus par génie tissulaire. Un vaisseau sanguin composé de cellules stromales et de cellules musculaires lisses du cordon ombilical démontra une résistance substantielle à l’éclatement. Les capacités de différenciation des cellules épithéliales ont été étudiées dans le contexte d’une peau bilamellaire reconstruite en combinaison avec des kératinocytes, des fibroblastes dermiques, et des cellules stromales de la gelée de Wharton. Les cellules épithéliales ont montré une différenciation similaire à celle des kératinocytes lorsque cultivées sur des fibroblastes dermiques et exposées à l’air, tandis que sur des cellules stromales du cordon, elles ont subi une désorganisation. Finalement, la différenciation des cellules stromales a été induite en culture vers plusieurs types cellulaires afin de compléter cette étude. L’ensemble des résultats fait ressortir l’importance non seulement de l’influence du milieu physique sur la croissance et la différenciation des cellules, mais également de l’impact de la provenance des cellules sur la qualité des tissus reconstruits.

Flow modeling in a novel non-perfusion conical bioreactor

We have developed a bioreactor vessel design which has the advantages of simplicity and ease of assembly and disassembly, and with the appropriately determined flow rate, even allows for a scaffold to be suspended freely regardless of its weight. This article reports our experimental and numerical investigations to evaluate the performance of a newly developed non-perfusion conical bioreactor by visualizing the flow through scaffolds with 45° and 90° fiber lay down patterns. The experiments were conducted at the Reynolds numbers (Re) 121, 170, and 218 based on the local velocity and width of scaffolds. The flow fields were captured using short-time exposures of 60 µm particles suspended in the bioreactor and illuminated using a thin laser sheet. The effects of scaffold fiber lay down pattern and Reynolds number were obtained and correspondingly compared to results obtained from a computational fluid dynamics (CFD) software package. The objectives of this article are twofold: to investigate the hypothesis that there may be an insufficient exchange of medium within the interior of the scaffold when using our non-perfusion bioreactor, and second, to compare the flows within and around scaffolds of 45° and 90° fiber lay down patterns. Scaffold porosity was also found to influence flow patterns. It was therefore shown that fluidic transport could be achieved within scaffolds with our bioreactor design, being a non-perfusion vessel. Fluid velocities were generally same of the same or one order lower in magnitude as compared to the inlet flow velocity. Additionally, the 90° fiber lay down pattern scaffold was found to allow for slightly higher fluid velocities within, as compared to the 45° fiber lay down pattern scaffold. This was due to the architecture and pore arrangement of the 90° fiber lay down pattern scaffold, which allows for fluid to flow directly through (channel-like flow).

Perfusion model system to generate engineered grafts with controlled cellular distributions

Engineered tissue grafts, which mimic the spatial variations of cell density and extracellular matrix present in native tissues, could facilitate more efficient tissue regeneration and integration. We previously demonstrated that cells could be uniformly seeded throughout a 3D scaffold having a random pore architecture using a perfusion bioreactor2. In this work, we aimed to generate 3D constructs with defined cell distributions based on rapid prototyped scaffolds manufactured with a controlled gradient in porosity. Computational models were developed to assess the influence of fluid flow, associated with pore architecture and perfusion regime, on the resulting cell distribution.

Modulation of depth-dependent properties in tissue-engineered cartilage with a semi-permeable membrane and perfusion : a continuum model of matrix metabolism and transport

The functional properties of cartilaginous tissues are determined predominantly by the content, distribution, and organization of proteoglycan and collagen in the extracellular matrix. Extracellular matrix accumulates in tissue-engineered cartilage constructs by metabolism and transport of matrix molecules, processes that are modulated by physical and chemical factors. Constructs incubated under free-swelling conditions with freely permeable or highly permeable membranes exhibit symmetric surface regions of soft tissue. The variation in tissue properties with depth from the surfaces suggests the hypothesis that the transport processes mediated by the boundary conditions govern the distribution of proteoglycan in such constructs. A continuum model (DiMicco and Sah in Transport Porus Med 50:57-73, 2003) was extended to test the effects of membrane permeability and perfusion on proteoglycan accumulation in tissue-engineered cartilage. The concentrations of soluble, bound, and degraded proteoglycan were analyzed as functions of time, space, and non-dimensional parameters for several experimental configurations. The results of the model suggest that the boundary condition at the membrane surface and the rate of perfusion, described by non-dimensional parameters, are important determinants of the pattern of proteoglycan accumulation. With perfusion, the proteoglycan profile is skewed, and decreases or increases in magnitude depending on the level of flow-based stimulation. Utilization of a semi-permeable membrane with or without unidirectional flow may lead to tissues with depth-increasing proteoglycan content, resembling native articular cartilage.

A collagen network phase improves cell seeding of open-pore structure scaffolds under perfusion

Scaffolds with open-pore morphologies offer several advantages in cell-based tissue engineering, but their use is limited by a low cell seeding efficiency. We hypothesized that inclusion of a collagen network as filling material within the open-pore architecture of polycaprolactone-tricalcium phosphate (PCL-TCP) scaffolds increases human bone marrow stromal cells (hBMSC) seeding efficiency under perfusion and in vivo osteogenic capacity of the resulting constructs. PCL-TCP scaffolds, rapid prototyped with a honeycomb-like architecture, were filled with a collagen gel and subsequently lyophilized, with or without final crosslinking. Collagen-free scaffolds were used as controls. The seeding efficiency was assessed after overnight perfusion of expanded hBMSC directly through the scaffold pores using a bioreactor system. By seeding and culturing freshly harvested hBMSC under perfusion for 3 weeks, the osteogenic capacity of generated constructs was tested by ectopic implantation in nude mice. The presence of the collagen network, independently of the crosslinking process, significantly increased the cell seeding efficiency (2.5-fold), and reduced the loss of clonogenic cells in the supernatant. Although no implant generated frank bone tissue, possibly due to the mineral distribution within the scaffold polymer phase, the presence of a non crosslinked collagen phase led to in vivo formation of scattered structures of dense osteoids. Our findings verify that the inclusion of a collagen network within open morphology porous scaffolds improves cell retention under perfusion seeding. In the context of cell-based therapies, collagen-filled porous scaffolds are expected to yield superior cell utilization, and could be combined with perfusion-based bioreactor devices to streamline graft manufacture.

Effect of caffeine on adenosine-induced reversible perfusion defects assessed by automated analysis

Objectives This prospective study investigated the effects of caffeine ingestion on the extent of adenosine-induced perfusion abnormalities during myocardial perfusion imaging (MPI). Methods Thirty patients with inducible perfusion abnormalities on standard (caffeine-abstinent) adenosine MPI underwent repeat testing with supplementary coffee intake. Baseline and test MPIs were assessed for stress percent defect, rest percent defect, and percent defect reversibility. Plasma levels of caffeine and metabolites were assessed on both occasions and correlated with MPI findings. Results Despite significant increases in caffeine [mean difference 3,106 μg/L (95% CI 2,460 to 3,752 μg/L; P < .001)] and metabolite concentrations over a wide range, there was no statistically significant change in stress percent defect and percent defect reversibility between the baseline and test scans. The increase in caffeine concentration between the baseline and the test phases did not affect percent defect reversibility (average change −0.003 for every 100 μg/L increase; 95% CI −0.17 to 0.16; P = .97). Conclusion There was no significant relationship between the extent of adenosine-induced coronary flow heterogeneity and the serum concentration of caffeine or its principal metabolites. Hence, the stringent requirements for prolonged abstinence from caffeine before adenosine MPI—based on limited studies—appear ill-founded.

Effects of scaffold architecture on mechanical characteristics and osteoblast response to static and perfusion bioreactor cultures

Tissue engineering focuses on the repair and regeneration of tissues through the use of biodegradable scaffold systems that structurally support regions of injury whilst recruiting and/or stimulating cell populations to rebuild the target tissue. Within bone tissue engineering, the effects of scaffold architecture on cellular response have not been conclusively characterized in a controlled-density environment. We present a theoretical and practical assessment of the effects of polycaprolactone (PCL) scaffold architectural modifications on mechanical and flow characteristics as well as MC3T3-E1 preosteoblast cellular response in an in vitro static plate and custom-designed perfusion bioreactor model. Four scaffold architectures were contrasted, which varied in inter-layer lay-down angle and offset between layers, whilst maintaining a structural porosity of 60 ± 5%. We established that as layer angle was decreased (90° vs. 60°) and offset was introduced (0 vs. 0.5 between layers), structural stiffness, yield stress, strength, pore size and permeability decreased, whilst computational fluid dynamics-modeled wall shear stress was increased. Most significant effects were noted with layer offset. Seeding efficiencies in static culture were also dramatically increased due to offset (~45% to ~86%), with static culture exhibiting a much higher seeding efficiency than perfusion culture. Scaffold architecture had minimal effect on cell response in static culture. However, architecture influenced osteogenic differentiation in perfusion culture, likely by modifying the microfluidic environment.