Effets de la perfusion pulsatile durant une circulation extra-corporelle

INTRODUCTION : L’utilisation de la circulation extracorporelle durant la chirurgie cardiaque est associée à des problèmes pulmonaires chez certains patients. L’utilisation d’une pression pulsatile induite par un ballon intra-aortique (BIA) pourrait diminuer la dysfonction endothéliale et la survenue de tels événements. MATÉRIEL ET MÉTHODE : 12 porcs Landrace-Yorkshire ont subi une circulation extracorporelle et ont été divisés en deux groupes et 4 porcs ont servi de contrôles sans CEC. Le premier groupe (n=6) a bénéficié d’un flot pulsatile créé par un BIA en mode interne à 80 battements par minute durant les 90 minutes de l’opération alors que le second groupe (n=6) a subi une CEC standard. Après 60 minutes de reperfusion suivant la CEC, les valeurs hémodynamiques ont été évaluées dont les pressions artérielles, les pressions pulmonaires, l’index cardiaque et la concentration de glucose et de lactate. Les artères pulmonaires sont ensuite montées en chambre d’organe pour évaluer la fonction endothéliale. RÉSULTATS : Les porcs avec pression pulsatile ont tendance à produire moins de lactate sanguin après 60 minutes de reperfusion. Les autres valeurs hémodynamiques sont semblables. Finalement, la relaxation à la bradykinine est significativement meilleure dans le groupe pression pulsatile alors que la relaxation à l’acétylcholine n’est pas significativement différente. CONCLUSION : Ces résultats démontrent que la perfusion pulsatile produite par un BIA protège l’endothélium pulmonaire lors d'une CEC. Cet effet pourrait être dû à une augmentation du flot bronchique qui diminuerait l’ischémie pulmonaire ou à une diminution de la libération de cytokines et de bradykinine qui réduirait les dommages de reperfusion.

Étude de la mécanotransduction dans la scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA)

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes.

Déterminants génétiques du contrôle de la masse cardiaque et/ou de la taille des cardiomyocytes dans des croisements expérimentaux de rongeurs

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

Déterminants génétiques du contrôle de la masse cardiaque et/ou de la taille des cardiomyocytes dans des croisements expérimentaux de rongeurs

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

Étude de l’impact de la pression pulsée sur la réactivité cérébrovasculaire

In vivo, la pression artérielle au niveau des artères cérébrales est pulsée, alors que ex vivo, l’étude de la fonction cérébrovasculaire est majoritairement mesurée en pression statique. L’impact de la pression pulsée sur la régulation du tonus myogénique et sur la fonction endothéliale cérébrale est inconnu. Nous avons posé l’hypothèse selon laquelle en présence d'une pression pulsée physiologique, la dilatation dépendante de l’endothélium induite par le flux et le tonus myogénique seraient optimisés. L’objectif de notre étude est d’étudier ex vivo l’impact de la pression pulsée sur le tonus myogénique et la dilatation induite par le flux dans les artères cérébrales de souris. Nous avons utilisé un artériographe pressurisé couplé à un système générant une onde pulsée de fréquence et d’amplitude réglables. Les artères cérébrales moyennes (≈160 μm de diamètre) ont été isolées de souris C57BL6 âgées de 3 mois et pressurisées à 60 mm Hg, en pression statique ou en pression pulsée. En pression statique, le tonus myogénique est faible mais est potentialisé par le L-NNA (un inhibiteur de la eNOS) et la PEG-catalase (qui dégrade le H2O2), suggérant une influence des produits dilatateurs dérivés de la eNOS sur le tonus myogénique. En présence de pression pulsée (pulse de 30 mm Hg, pression moyenne de 60 mm Hg, 550 bpm), le tonus myogénique est significativement augmenté, indépendamment du L-NNA et de la PEG-catalase, suggérant que la pression pulsée lève l’impact de la eNOS. En pression statique ou pulsée, les artères pré-contractées se dilatent de façon similaire jusqu’à une force de cisaillement de 15 dyn/cm2. Cette dilatation, dépendante de l’endothélium et de la eNOS, est augmentée en condition pulsée à une force de cisaillement de 20 dyn/cm2. En présence de PEG-catalase, la dilatation induite par le flux est diminuée en pression statique mais pas en pression pulsée, suggérant que la pression statique, mais pas la pression pulsée, favorise la production de O2 -/H2O2. En effet, la dilatation induite par le flux est associée à une production de O2 -/H2O2 par la eNOS, mesurable en pression statique, alors que la dilatation induite par le flux en pression pulsée est associée à la production de NO. Les différences de sensibilité à la dilatation induite par le flux ont été abolies après inhibition de Nox2, en condition statique ou pulsée. La pression pulsée physiologique régule donc l’activité de la eNOS cérébrale, en augmentant le tonus myogénique et, en présence de flux, permet la relâche de NO via la eNOS.

The effect of red blood cell orientation on the electrical impedance of pulsatile blood with implications for impedance cardiography

Impedance cardiography is an application of bioimpedance analysis primarily used in a research setting to determine cardiac output. It is a non invasive technique that measures the change in the impedance of the thorax which is attributed to the ejection of a volume of blood from the heart. The cardiac output is calculated from the measured impedance using the parallel conductor theory and a constant value for the resistivity of blood. However, the resistivity of blood has been shown to be velocity dependent due to changes in the orientation of red blood cells induced by changing shear forces during flow. The overall goal of this thesis was to study the effect that flow deviations have on the electrical impedance of blood, both experimentally and theoretically, and to apply the results to a clinical setting. The resistivity of stationary blood is isotropic as the red blood cells are randomly orientated due to Brownian motion. In the case of blood flowing through rigid tubes, the resistivity is anisotropic due to the biconcave discoidal shape and orientation of the cells. The generation of shear forces across the width of the tube during flow causes the cells to align with the minimal cross sectional area facing the direction of flow. This is in order to minimise the shear stress experienced by the cells. This in turn results in a larger cross sectional area of plasma and a reduction in the resistivity of the blood as the flow increases. Understanding the contribution of this effect on the thoracic impedance change is a vital step in achieving clinical acceptance of impedance cardiography. Published literature investigates the resistivity variations for constant blood flow. In this case, the shear forces are constant and the impedance remains constant during flow at a magnitude which is less than that for stationary blood. The research presented in this thesis, however, investigates the variations in resistivity of blood during pulsataile flow through rigid tubes and the relationship between impedance, velocity and acceleration. Using rigid tubes isolates the impedance change to variations associated with changes in cell orientation only. The implications of red blood cell orientation changes for clinical impedance cardiography were also explored. This was achieved through measurement and analysis of the experimental impedance of pulsatile blood flowing through rigid tubes in a mock circulatory system. A novel theoretical model including cell orientation dynamics was developed for the impedance of pulsatile blood through rigid tubes. The impedance of flowing blood was theoretically calculated using analytical methods for flow through straight tubes and the numerical Lattice Boltzmann method for flow through complex geometries such as aortic valve stenosis. The result of the analytical theoretical model was compared to the experimental impedance measurements through rigid tubes. The impedance calculated for flow through a stenosis using the Lattice Boltzmann method provides results for comparison with impedance cardiography measurements collected as part of a pilot clinical trial to assess the suitability of using bioimpedance techniques to assess the presence of aortic stenosis. The experimental and theoretical impedance of blood was shown to inversely follow the blood velocity during pulsatile flow with a correlation of -0.72 and -0.74 respectively. The results for both the experimental and theoretical investigations demonstrate that the acceleration of the blood is an important factor in determining the impedance, in addition to the velocity. During acceleration, the relationship between impedance and velocity is linear (r2 = 0.98, experimental and r2 = 0.94, theoretical). The relationship between the impedance and velocity during the deceleration phase is characterised by a time decay constant, ô , ranging from 10 to 50 s. The high level of agreement between the experimental and theoretically modelled impedance demonstrates the accuracy of the model developed here. An increase in the haematocrit of the blood resulted in an increase in the magnitude of the impedance change due to changes in the orientation of red blood cells. The time decay constant was shown to decrease linearly with the haematocrit for both experimental and theoretical results, although the slope of this decrease was larger in the experimental case. The radius of the tube influences the experimental and theoretical impedance given the same velocity of flow. However, when the velocity was divided by the radius of the tube (labelled the reduced average velocity) the impedance response was the same for two experimental tubes with equivalent reduced average velocity but with different radii. The temperature of the blood was also shown to affect the impedance with the impedance decreasing as the temperature increased. These results are the first published for the impedance of pulsatile blood. The experimental impedance change measured orthogonal to the direction of flow is in the opposite direction to that measured in the direction of flow. These results indicate that the impedance of blood flowing through rigid cylindrical tubes is axisymmetric along the radius. This has not previously been verified experimentally. Time frequency analysis of the experimental results demonstrated that the measured impedance contains the same frequency components occuring at the same time point in the cycle as the velocity signal contains. This suggests that the impedance contains many of the fluctuations of the velocity signal. Application of a theoretical steady flow model to pulsatile flow presented here has verified that the steady flow model is not adequate in calculating the impedance of pulsatile blood flow. The success of the new theoretical model over the steady flow model demonstrates that the velocity profile is important in determining the impedance of pulsatile blood. The clinical application of the impedance of blood flow through a stenosis was theoretically modelled using the Lattice Boltzman method (LBM) for fluid flow through complex geometeries. The impedance of blood exiting a narrow orifice was calculated for varying degrees of stenosis. Clincial impedance cardiography measurements were also recorded for both aortic valvular stenosis patients (n = 4) and control subjects (n = 4) with structurally normal hearts. This pilot trial was used to corroborate the results of the LBM. Results from both investigations showed that the decay time constant for impedance has potential in the assessment of aortic valve stenosis. In the theoretically modelled case (LBM results), the decay time constant increased with an increase in the degree of stenosis. The clinical results also showed a statistically significant difference in time decay constant between control and test subjects (P = 0.03). The time decay constant calculated for test subjects (ô = 180 - 250 s) is consistently larger than that determined for control subjects (ô = 50 - 130 s). This difference is thought to be due to difference in the orientation response of the cells as blood flows through the stenosis. Such a non-invasive technique using the time decay constant for screening of aortic stenosis provides additional information to that currently given by impedance cardiography techniques and improves the value of the device to practitioners. However, the results still need to be verified in a larger study. While impedance cardiography has not been widely adopted clinically, it is research such as this that will enable future acceptance of the method.

Large-Eddy Simulation of physiological pulsatile non-newtonian flow in a channel with double constriction

Physiological pulsatile flow in a 3D model of arterial double stenosis, using the modified Power-law blood viscosity model, is investigated by applying Large Eddy Simulation (LES) technique. The computational domain has been chosen is a simple channel with biological type stenoses. The physiological pulsation is generated at the inlet of the model using the first four harmonics of the Fourier series of the physiological pressure pulse. In LES, a top-hat spatial grid-filter is applied to the Navier-Stokes equations of motion to separate the large scale flows from the subgrid scale (SGS). The large scale flows are then resolved fully while the unresolved SGS motions are modelled using the localized dynamic model. The flow Reynolds numbers which are typical of those found in human large artery are chosen in the present work. Transitions to turbulent of the pulsatile non-Newtonian along with Newtonian flow in the post stenosis are examined through the mean velocity, wall shear stress, mean streamlines as well as turbulent kinetic energy and explained physically along with the relevant medical concerns.

Fatigue crack growth under pulsatile pressure and plaque rupture

Identification of vulnerable plaque pre-rupture is extremely important for patient risk stratification. The mechanism of plaque rupture is still not entirely clear, but it is thought to be a process involving multiple factors. From a biomechanical viewpoint, plaque rupture is usually seen as a structural failure when the plaque cannot resist the hemodynamic blood pressure and shear stress exerted on it. However, the cardiovascular system is naturally a cyclical hemodynamic environment, and myocardial infarction can be a symptomatically quiescent but potentially progressive process when plaque ruptures at stresses much lower than its strength. Therefore, fatigue accumulation is a possible mechanism for plaque rupture. In this study, a crack growth model was developed, and the previously-mentioned hypothesis was tested by conducting a comparative study between 18 symptomatic and 16 asymptomatic patients with carotid stenosis.

Microcontinuum approach to the pulsatile flow in tubes with and without longitudinal vibration

A fully developed pulsatile flow in a circular rigid tube is analysed by a microcontinuum approach. Solutions for radial variation of axial velocity and cell rotational velocity across the tube are obtained using the momentum integral method. Simplified forms of the solutions are presented for the relevant physiological data. Marked deviations in the results are observed when compared to a Newtonian fluid model. It is interesting to see that there is sufficient reduction in the mass flow rate, phase lag and friction due to the micropolar character of the fluid.

Pulsatile blood flow in a stenosed arteryâ a theoretical model

Abstract is not available.

Pulsatile blood flow in a rigid pulmonary alveolar sheet with porous walls

This paper deals with the pulsatile blood flow in the lung alveolar sheets by idealizing each of them as a channel covered by porous media. As the blood flow in the lung is of low Reynolds number, a creeping flow is assumed in the channel. The analytical and numerical results for the velocity and pressure distribution in the porous medium are presented. The effect of an imposed slip condition is also studied. Comparisons with the corresponding results for the steady-state case are made at the end.

Pulsatile flow in tubes of varying cross-sections

The pulsatile flow of an incompressible viscous fluid in a cylindrical tube of varying cross section is investigated for small Reynolds numbers. The solutions consist of a stedy and an oscillatory part. The shear stress distribution on the wall is evaluated and discussed in detail for special geometries like tapered tubes, locally constricted tubes and peristaltic tubes. The existence of separation in the flow field is noticed.

Effect of deletion of Ghrelin-O-Acyltransferase on the pulsatile release of growth hormone in mice

Ghrelin, a gut hormone originating from the post-translational cleavage of preproghrelin, is the endogenous ligand of growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a). Within the growth hormone (GH) axis, the biological activity of ghrelin requires octanoylation by ghrelin-O-acyltransferase (GOAT), conferring selective binding to the GHS-R1a receptor via acylated ghrelin. Complete loss of preproghrelin-derived signalling (through deletion of the Ghrl gene) contributes to a decline in peak GH release; however, the selective contribution of endogenous acyl-ghrelin to pulsatile GH release remains to be established. We assessed the pulsatile release of GH in ad lib. fed male germline goat−/− mice, extending measures to include mRNA for key hypothalamic regulators of GH release, and peripheral factors that are modulated relative to GH release. The amount of GH released was reduced in young goat−/− mice compared to age-matched wild-type mice, whereas pulse frequency and irregularity increased. Altered GH release did not coincide with alterations in hypothalamic Ghrh, Srif, Npy or Ghsr mRNA expression, or pituitary GH content, suggesting that loss of Goat does not compromise canonical mechanisms that contribute to pituitary GH production and release. Although loss of Goat resulted in an irregular pattern of GH release (characterised by an increase in the number of GH pulses observed during extended secretory events), this did not contribute to a change in the expression of sexually dimorphic GH-dependent liver genes. Of interest, circulating levels of insulin-like growth factor (IGF)-1 were elevated in goat−/− mice. This rise in circulating levels of IGF-1 was correlated with an increase in GH pulse frequency, suggesting that sustained or increased IGF-1 release in goat−/− mice may occur in response to altered GH release patterning. Our observations demonstrate that germline loss of Goat alters GH release and patterning. Although the biological relevance of altered GH secretory patterning remains unclear, we propose that this may contribute to sustained IGF-1 release and growth in goat−/− mice.

Pulsatile flow of a viscous fluid in elliptical pipe of variable cross-section

The pulsatile flow of an incompressible viscous fluid in an elliptical pipe of slowly varying cross-section is considered. Asymptotic series solutions for the velocity distribution and pressure gradient are obtained in terms of Mathieu functions for a low Reynold number flow in which the volume flux is prescribed. An expression for shear stress on the boundary is derived. The physically significant quantities governing the flow are computed numerically and analysed for different types of constrictions. The effect of eccentricity and Womerslay parameter on the flow is discussed.