Étude de la diffusion dans les hydrogels polymères par spectroscopie et imagerie RMN

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Étude des facteurs de perturbation de chambres d’ionisation sous conditions non standard

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles.

Étude clinique sur l’impact du Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline sur l’évolution des patients atteints de fibrose kystique

La prévalence du Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) a augmenté de façon dramatique dans les dernières années chez les patients atteints de fibrose kystique. Quoique le rôle du SARM dans la pathogénèse de l’atteinte respiratoire de la fibrose kystique ne soit pas clairement déterminé, certaines études récentes ont suggéré une association entre la persistance du SARM et le déclin accéléré de la fonction respiratoire. Cependant, l’importance clinique des diverses souches qui colonisent les patients atteints de fibrose kystique n’a pas encore été élucidée. Les objectifs de ce mémoire étaient de déterminer les effets d’une colonisation persistante par un SARM sur le statut clinique et respiratoire des enfants atteints de fibrose kystique. Également, nous tenions à étudier les caractéristiques des différentes souches de SARM dans cette population. Nous avons réalisé une étude rétrospective en analysant les données cliniques ainsi que les mesures de la fonction respiratoire chez les enfants atteints de fibrose kystique suivis à la Clinique de fibrose kystique du CHU Sainte-Justine entre 1996 et 2008 et ayant une colonisation persistante par un SARM. Afin de déterminer les souches qui colonisent cette population, nous avons effectué une caractérisation moléculaire des isolats du SARM. Nous avons identifié 22 patients avec une colonisation persistante par un SARM. Les résultats n’ont démontré aucun changement significatif en ce qui concernait le taux de déclin de la fonction respiratoire avant ou après l’acquisition du SARM. Cependant, la colonisation persistante par un SARM était associée à une augmentation du nombre d’hospitalisations pour une exacerbation pulmonaire. La plupart de nos patients étaient colonisés par le CMRSA-2, une souche épidémique au Canada. La présente étude suggère que la souche épidémique CMRSA-2 pouvait affecter l’évolution clinique des enfants atteints de fibrose kystique.

Exploration d’un modèle d’étude simplifié de la spermiogenèse par l’utilisation de la levure à fission

Résumé: Les cellules germinales mâles remodèlent leur chromatine pour compacter leur noyau afin de protéger leur matériel génétique et assurer un transit optimal vers le gamète femelle. Il a été démontré que tous les spermatides de plusieurs mammifères, incluant l’homme et la souris, présentaient ce mécanisme de remodelage de la chromatine. Celui-ci est caractérisé par une augmentation transitoire de cassures d’ADN dont une quantité importante sont bicaténaires. Ce remodelage chromatinien a été étudié et semble être conservé chez plusieurs espèces, allant de l’algue à l’humain. Dans le contexte de la recherche fondamentale sur le phénomène de la spermiogenèse, il devient parfois très difficile d’investiguer certains aspects importants en vertu de l’impossibilité de réaliser des manipulations génétiques simples. Il est donc impératif de développer un nouveau modèle d’étude plus permissif afin de palier à ces difficultés encourues. Comme le processus de maturation des spores chez la levure à fission présente de grandes similitudes avec la spermiogenèse des mammifères, l’utilisation d’un modèle d’étude basé sur la sporulation de la levure à fission Schizosaccharomyces pombe a été proposée comme modèle comparatif de la spermatogenèse murine. À la suite de la synchronisation de la méiose de la souche S. pombe pat1-114, des analyses d’électrophorèse en champ pulsé (PFGE) et de qTUNEL ont permis de déterminer la présence de cassures bicaténaires transitoires de l’ADN lors de la maturation post-méiotique des ascospores nouvellement formés (t>7h). Des analyses par immunobuvardages dirigés contre le variant d’histones H2AS129p suggère la présence d’un remodelage chromatinien postméiotique dix heures suivant l’induction de la méiose, corroborant le modèle murin. Enfin, des analyses protéomiques couplées à l’analyse par spectrométrie de masse ont permis de proposer l’endonucléase Pnu1 comme candidat potentiellement responsable des cassures bicaténaires transitoires dans l’ADN des ascospores en maturation. En somme, bien que le processus de maturation des spores soit encore bien méconnu, quelques parallèles peuvent être tracés entre la maturation des ascospores de la levure à fission et la spermiogenèse des eucaryotes supérieurs. En identifiant un modèle simple du remodelage chromatinien au niveau de la spermiogenèse animale, on s’assurerait ainsi d’un outil beaucoup plus malléable et versatile pour l’étude fondamentale des événements survenant lors de la spermiogenèse humaine.

Cartographie des cassures bicaténaires du remodelage chromatinien du spermatide et développement des outils techniques associés.

Résumé : La phase haploïde de la spermatogenèse (spermiogenèse) est caractérisée par une modification importante de la structure de la chromatine et un changement de la topologie de l’ADN du spermatide. Les mécanismes par lesquels ce changement se produit ainsi que les protéines impliquées ne sont pas encore complètement élucidés. Mes travaux ont permis d’établir la présence de cassures bicaténaires transitoires pendant ce remodelage par l’essai des comètes et l’électrophorèse en champ pulsé. En procédant à des immunofluorescences sur coupes de tissus et en utilisant un extrait nucléaire hautement actif, la présence de topoisomérases ainsi que de marqueurs de systèmes de réparation a été confirmée. Les protéines de réparation identifiées font partie de systèmes sujets à l’erreur, donc cette refonte structurale de la chromatine pourrait être génétiquement instable et expliquer le biais paternel observé pour les mutations de novo dans de récentes études impliquant des criblages à haut débit. Une technique permettant l’immunocapture spécifique des cassures bicaténaires a été développée et appliquée sur des spermatides murins représentant différentes étapes de différenciation. Les résultats de séquençage à haut débit ont montré que les cassures bicaténaires (hotspots) de la spermiogenèse se produisent en majorité dans l’ADN intergénique, notamment dans les séquences LINE1, l’ADN satellite et les répétions simples. Les hotspots contiennent aussi des motifs de liaisons des protéines des familles FOX et PRDM, dont les fonctions sont entre autres de lier et remodeler localement la chromatine condensée. Aussi, le motif de liaison de la protéine BRCA1 se trouve enrichi dans les hotspots de cassures bicaténaires. Celle-ci agit entre autres dans la réparation de l’ADN par jonction terminale non-homologue (NHEJ) et dans la réparation des adduits ADN-topoisomérase. De façon remarquable, le motif de reconnaissance de la protéine SPO11, impliquée dans la formation des cassures méiotiques, a été enrichi dans les hotspots, ce qui suggère que la machinerie méiotique serait aussi utilisée pendant la spermiogenèse pour la formation des cassures. Enfin, bien que les hotspots se localisent plutôt dans les séquences intergéniques, les gènes ciblés sont impliqués dans le développement du cerveau et des neurones. Ces résultats sont en accord avec l’origine majoritairement paternelle observée des mutations de novo associées aux troubles du spectre de l’autisme et de la schizophrénie et leur augmentation avec l’âge du père. Puisque les processus du remodelage de la chromatine des spermatides sont conservés dans l’évolution, ces résultats suggèrent que le remodelage de la chromatine de la spermiogenèse représente un mécanisme additionnel contribuant à la formation de mutations de novo, expliquant le biais paternel observé pour certains types de mutations.

Reducing MRI gradient coil vibration with rib stiffeners

This work investigates the effect of rib stiffeners on the free and forced vibration of a gradient coil in a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner. Several reinforcement schemes are studied in this paper. One scheme utilizes the existing holes in the gradient coil structure (typically reserved for magnetic shims) to produce the reinforcement. Non-ferrous, non-magnetic carbon fibre rib stiffeners are employed to fill these holes in several ways to strengthen a gradient coil. Another scheme replaces the inner half of the gradient coil material with a grid of interconnected axial and circumferential rib stiffeners. It is found that the structural stiffness of the gradient coil increases substantially when the coil is reinforced by carbon fibre rib stiffeners. The reinforcement affects the noise and vibration response of the gradient coil structure in the following ways. It increases the frequency range of forced response of the gradient coil at low frequencies due to the increased resonant frequency of the fundamental mode of the coil. Secondly, it reduces the forced response amplitude of the coil structure (which is governed by the structural stiffness of the coil). Thirdly, it reduces the number of natural modes in the low and medium frequency range and therefore lessens the chance of the coil structure being excited resonantly by magnetic resonance signal acquisition sequences. It is shown that gradient coils modelled by solid finite element models have higher stiffness along the coil’s circumference and lower stiffness in the axial direction than those using shell finite element models.

Comparing subjective and objective measures of health : Evidence from hypertension for the income/health gradient

Economists rely heavily on self-reported measures to examine the relationship between income and health. We directly compare survey responses of a self-reported measure of health that is commonly used in nationally representative surveys with objective measures of the same health condition. We focus on hypertension. We find no evidence of an income/health greadient using self-reported hypertension but a sizeable gradient when using objectively measured hypertension. We also find that the probability of a false negative reporting is significantly income graded. Our results suggest that using commonly available self-reported chronic health measures might underestimate true income-related inequalities in health.

Lateral buckling strength of simply supported LiteSteel beams subject to moment gradient effects

The flexural capacity of of a new cold-formed hollow flange channel section known as LiteSteel beam (LSB) is limited by lateral distortional buckling for intermediate spans, which is characterised by simultaneous lateral deflection, twist and web distortion. Recent research has developed suitable design rules for the member capacity of LSBs. However, they are limited to a uniform moment distribution that rarely exists in practice. Many steel design codes have adopted equivalent uniform moment distribution factors to accommodate the effect of non-uniform moment distributions in design. But they were derived mostly based on the data for conventional hot-rolled, doubly symmetric I-beams subject to lateral torsional buckling. The effect of moment distribution for LSBs, and the suitability of the current steel design code rules to include this effect for LSBs are not yet known. This paper presents the details of a research study based on finite element analyses of the lateral buckling strength of simply supported LSBs subject to moment gradient effects. It also presents the details of a number of LSB lateral buckling experiments undertaken to validate the results of finite element analyses. Finally, it discusses the suitability of the current design methods, and provides design recommendations for simply supported LSBs subject to moment gradient effects.

The modulation of outdoor running speed : the influence of gradient

This thesis aimed to investigate the way in which distance runners modulate their speed in an effort to understand the key processes and determinants of speed selection when encountering hills in natural outdoor environments. One factor which has limited the expansion of knowledge in this area has been a reliance on the motorized treadmill which constrains runners to constant speeds and gradients and only linear paths. Conversely, limits in the portability or storage capacity of available technology have restricted field research to brief durations and level courses. Therefore another aim of this thesis was to evaluate the capacity of lightweight, portable technology to measure running speed in outdoor undulating terrain. The first study of this thesis assessed the validity of a non-differential GPS to measure speed, displacement and position during human locomotion. Three healthy participants walked and ran over straight and curved courses for 59 and 34 trials respectively. A non-differential GPS receiver provided speed data by Doppler Shift and change in GPS position over time, which were compared with actual speeds determined by chronometry. Displacement data from the GPS were compared with a surveyed 100m section, while static positions were collected for 1 hour and compared with the known geodetic point. GPS speed values on the straight course were found to be closely correlated with actual speeds (Doppler shift: r = 0.9994, p < 0.001, Δ GPS position/time: r = 0.9984, p < 0.001). Actual speed errors were lowest using the Doppler shift method (90.8% of values within ± 0.1 m.sec -1). Speed was slightly underestimated on a curved path, though still highly correlated with actual speed (Doppler shift: r = 0.9985, p < 0.001, Δ GPS distance/time: r = 0.9973, p < 0.001). Distance measured by GPS was 100.46 ± 0.49m, while 86.5% of static points were within 1.5m of the actual geodetic point (mean error: 1.08 ± 0.34m, range 0.69-2.10m). Non-differential GPS demonstrated a highly accurate estimation of speed across a wide range of human locomotion velocities using only the raw signal data with a minimal decrease in accuracy around bends. This high level of resolution was matched by accurate displacement and position data. Coupled with reduced size, cost and ease of use, the use of a non-differential receiver offers a valid alternative to differential GPS in the study of overground locomotion. The second study of this dissertation examined speed regulation during overground running on a hilly course. Following an initial laboratory session to calculate physiological thresholds (VO2 max and ventilatory thresholds), eight experienced long distance runners completed a self- paced time trial over three laps of an outdoor course involving uphill, downhill and level sections. A portable gas analyser, GPS receiver and activity monitor were used to collect physiological, speed and stride frequency data. Participants ran 23% slower on uphills and 13.8% faster on downhills compared with level sections. Speeds on level sections were significantly different for 78.4 ± 7.0 seconds following an uphill and 23.6 ± 2.2 seconds following a downhill. Speed changes were primarily regulated by stride length which was 20.5% shorter uphill and 16.2% longer downhill, while stride frequency was relatively stable. Oxygen consumption averaged 100.4% of runner’s individual ventilatory thresholds on uphills, 78.9% on downhills and 89.3% on level sections. Group level speed was highly predicted using a modified gradient factor (r2 = 0.89). Individuals adopted distinct pacing strategies, both across laps and as a function of gradient. Speed was best predicted using a weighted factor to account for prior and current gradients. Oxygen consumption (VO2) limited runner’s speeds only on uphill sections, and was maintained in line with individual ventilatory thresholds. Running speed showed larger individual variation on downhill sections, while speed on the level was systematically influenced by the preceding gradient. Runners who varied their pace more as a function of gradient showed a more consistent level of oxygen consumption. These results suggest that optimising time on the level sections after hills offers the greatest potential to minimise overall time when running over undulating terrain. The third study of this thesis investigated the effect of implementing an individualised pacing strategy on running performance over an undulating course. Six trained distance runners completed three trials involving four laps (9968m) of an outdoor course involving uphill, downhill and level sections. The initial trial was self-paced in the absence of any temporal feedback. For the second and third field trials, runners were paced for the first three laps (7476m) according to two different regimes (Intervention or Control) by matching desired goal times for subsections within each gradient. The fourth lap (2492m) was completed without pacing. Goals for the Intervention trial were based on findings from study two using a modified gradient factor and elapsed distance to predict the time for each section. To maintain the same overall time across all paced conditions, times were proportionately adjusted according to split times from the self-paced trial. The alternative pacing strategy (Control) used the original split times from this initial trial. Five of the six runners increased their range of uphill to downhill speeds on the Intervention trial by more than 30%, but this was unsuccessful in achieving a more consistent level of oxygen consumption with only one runner showing a change of more than 10%. Group level adherence to the Intervention strategy was lowest on downhill sections. Three runners successfully adhered to the Intervention pacing strategy which was gauged by a low Root Mean Square error across subsections and gradients. Of these three, the two who had the largest change in uphill-downhill speeds ran their fastest overall time. This suggests that for some runners the strategy of varying speeds systematically to account for gradients and transitions may benefit race performances on courses involving hills. In summary, a non – differential receiver was found to offer highly accurate measures of speed, distance and position across the range of human locomotion speeds. Self-selected speed was found to be best predicted using a weighted factor to account for prior and current gradients. Oxygen consumption limited runner’s speeds only on uphills, speed on the level was systematically influenced by preceding gradients, while there was a much larger individual variation on downhill sections. Individuals were found to adopt distinct but unrelated pacing strategies as a function of durations and gradients, while runners who varied pace more as a function of gradient showed a more consistent level of oxygen consumption. Finally, the implementation of an individualised pacing strategy to account for gradients and transitions greatly increased runners’ range of uphill-downhill speeds and was able to improve performance in some runners. The efficiency of various gradient-speed trade- offs and the factors limiting faster downhill speeds will however require further investigation to further improve the effectiveness of the suggested strategy.

Carbon pools and fluxes along an environmental gradient in northern Arizona

Carbon pools and fluxes were quantified along an environmental gradient in northern Arizona. Data are presented on vegetation, litter, and soil C pools and soil CO2 fluxes from ecosystems ranging from shrub-steppe through woodlands to coniferous forest and the ecotones in between. Carbon pool sizes and fluxes in these semiarid ecosystems vary with temperature and precipitation and are strongly influenced by canopy cover. Ecosystem respiration is approximately 50 percent greater in the more mesic, forest environment than in the dry shrub-steppe environment. Soil respiration rates within a site vary seasonally with temperature but appear to be constrained by low soil moisture during dry summer months, when approximately 75% of total annual soil respiration occurs. Total annual amount of CO2 respired across all sites is positively correlated with annual precipitation and negatively correlated with temperature. Results suggest that changes in the amount and periodicity of precipitation will have a greater effect on C pools and fluxes than will changes in temperature :in the semiarid Southwestern United States.

Implications of patterns of carbon pools and fluxes across a semiarid environmental gradient

Landscape scale environmental gradients present variable spatial patterns and ecological processes caused by climate, topography and soil characteristics and, as such, offer candidate sites to study environmental change. Data are presented on the spatial pattern of dominant species, biomass, and carbon pools and the temporal pattern of fluxes across a transitional zone shifting from Great Basin Desert scrub, up through pinyon-juniper woodlands and into ponderosa pine forest and the ecotones between each vegetation type. The mean annual temperature (MAT) difference across the gradient is approximately 3 degrees C from bottom to top (MAT 8.5-5.5) and annual precipitation averages from 320 to 530 mm/yr, respectively. The stems of the dominant woody vegetation approach a random spatial pattern across the entire gradient, while the canopy cover shows a clustered pattern. The size of the clusters increases with elevation according to available soil moisture which in turn affects available nutrient resources. The total density of woody species declines with increasing soil moisture along the gl-adient, but total biomass increases. Belowground carbon and nutrient pools change from a heterogenous to a homogenous distribution on either side of the woodlands. Although temperature controls the: seasonal patterns of carbon efflux from the soils, soil moisture appears to be the primary driving variable, but response differs underneath the different dominant species, Similarly, decomposition of dominant litter occurs faster-at the cooler and more moist sites, but differs within sites due to litter quality of the different species. The spatial pattern of these communities provides information on the direction of future changes, The ecological processes that we documented are not statistically different in the ecotones as compared to the: adjoining communities, but are different at sites above the woodland than those below the woodland. We speculate that an increase in MAT will have a major impact on C pools and C sequestering and release processes in these semiarid landscapes. However, the impact will be primarily related to moisture availability rather than direct effects of an increase in temperature. (C) 1998 Elsevier Science B.V.