Nowadays, digital human models are broadly used in many research domains and industries. A digital human can represent human body characteristics and simulate human behaviors and capacities, thus we can evaluate or predict human performances in a scenario via simulations with digital human models. Currently, ergonomic evaluation of human motions depends largely on kinematic human models and Motion Capture techniques. Dynamic human models and associated control techniques have advantages over kinematic ones in terms of physical feasibility and they may lead to a reduced number of experiments with real human subjects. However, the dynamics-based techniques are very time-consuming when they are applied in complex scenarii, especially when the environment is cluttered. In this context, this thesis aims to explore an efficient dynamics-based method for digital human motion simulation in cluttered environments. The method is aimed to be applied in ergonomic study of daily human activities, such as car-ingress or car-egress motions. At the beginning of this study, we carry out MoCap experiments in which we obtain a set of recorded human motions in some cluttered environments. We learn human motion characteristics and principles in cluttered environments by observing and analyzing the recorded motions. With the help of the obtained heuristic knowledge, we make reasonable hypotheses and choose the main problematics of this research. Then we work on the topic of balance. A simplified digital human model for balance formulation is proposed in which the human is taken as a mass point located at its center of mass (CoM) interacting with the environment via a few supports (contact or grasps). Support feasibility (stability) brings constrains on exterior wrenches applied at supports. The constraints then result in an admissible space for the pseudo-wrench (a 6D vector calculated from position and acceleration of CoM) of the model. The admissible pseudo-wrench space defines a criterion for verifying balance of a digital human model during its motions. The “stability margin” concept associated with this criterion is studied which evaluates robustness (or quality) of a balance state. Thereafter, a hierarchical framework is developed which can realize motion simulations via three levels. Firstly, a global CoM trajectory is generated at a global level. The CoM trajectory is generated by optimization under motion state imposition, balance, geometric and timing constraints. Time durations for transition phases are generated as well. Then at a local level, the trajectories of end-effectors (e.g. foot or hand) and whole-body postures are piecewisely generated under the constraints of inverse kinematics and collision-freeness. The results obtained at the previous two levels are finally used as control references in dynamic simulation. A dynamic controller actuates the dynamic digital human model to realize the generated motion. Approaches at each level of the framework are applied and tested in several scenarii. Eventually, the framework is applied in a car-ingress scenario relying on heuristics of car-ingress motions.

Optimisation du positionnement des implants lors d’arthroplastie totale de hanche primaire La prothèse totale de hanche est considérée comme l’une des plus importantes avancées médicales du XXème siècle. L’objectif de ce travail était d’étudier l’orientation anatomique des structures constituant l’articulation de la hanche et d’ensuite analyser la position des implants des prothèses totales de hanche afin d’améliorer l’implantation des composants prothétiques dans le but de réduire les phénomènes de luxation, usure, fracture et douleurs inhérents à cette chirurgie. Une étude de l’orientation anatomique du ligament transverse de l’acetabulum, du labrum et des cornes a été réalisée. Ensuite nous nous sommes intéressés au composant fémoral avec des études radiographique et tomodensitométriques de l’antéversion fémorale. Nous avons essayé de mesurer l’antéversion fémorale prothétique à partir d’une radiographie de face. Ensuite, nous avons démontré que le scanner était un moyen fiable pour localiser le centre de la tête du fémur en comparaison avec un système Motion Analysis et un bras Faro. Enfin, nous avons mesuré l’antéversion fémorale avant et après PTH ainsi que la situation du centre de tête fémorale avant et après arthroplastie. Le but était d’analyser la possibilité de reproduire, avec une tige prothétique droite, l’antéversion fémorale native. Des applications pratiques de mesure de l’amplitude de mouvement prothétique ont permis de connaître, dans des cas de luxation prothétique, si le positionnement des implants était le facteur causal. Une application clinique a montré qu’en cas de positionnement non optimal de l’implant acétabulaire, l’incidence des fractures d’insert céramique était augmentée.

En Union Européenne les accidents frontaux font 28% des accidents routiers et sont responsables de 49% de mortalité, les fractures thoraciques étant la cause principale de décès. Les modèles en éléments finis du corps humain sont un outil important pour la simulation de chocs réels et la prédiction des risques d'endommagement. Cette thèse a permis de développer un modèle simple en éléments finis de la cage thoracique suffisamment souple d'utilisation et facilement paramétrable. Ce modèle est validé expérimentalement avant d'être utilisé pour une étude paramétrique. Cette étude a permis de caractériser l'influence de différents paramètres structurels et géométriques sur le comportement de la cage thoracique sous chargement dynamique. Le travail réalisé au cours de cette thèse est divisé en trois parties : Modélisation de la cage thoracique entière avec des éléments finis de type poutre dont les propriétés mécaniques sont déterminées à partir d'essais de flexion trois points sur des segments de côtes et complétées par des éléments de la littérature, Validation du modèle dont les résultats sont suffisamment proches des résultats des essais de chargement dynamique antéro-postérieur menés par Vezin et Berthet [Vez09], Etude paramétrique sur l'influence paramètres, géométrie des sections droites et géométrie globale de la cage thoracique (inclinaison des côtes, forme et taille globale de la cage thoracique). A partir de cette étude nous trouvons que le module d'Young et l'épaisseur du cortical ont une influence identique sur la raideur globale de la cage thoracique ainsi que sur la rotation et la déformation des côtes. Avec l'augmentation de ces deux paramètres la rigidité du thorax augmente et le taux de compression maximal diminue. D'autre part les côtes tournent plus et se déforment moins. La raideur des liaisons costo-verterbales a une influence directe sur la rotation latérale qui diminue avec l'augmentation de cette raideur alors que les déformations augmentent ; tandis que la raideur globale de la cage thoracique est légèrement modifiée. L'inclinaison des côtes est le facteur ayant la plus grande influence sur la déformation des côtes et donc sur le risque d'endommagement : plus les côtes sont proches de la direction de chargement la raideur de la cage thoracique augmente et la déformation des côtes augmente.

L'os, tissu conjonctif minéralisé, assure les fonctions de protection, de support et de motilité. De nombreuses pathologies osseuses requièrent l'utilisation d'implants naturels ou synthétiques et le vieillissement de la population accroît cette demande. La thèse a eu pour objet d'évaluer les potentiels de reconstruction osseuse de matériaux préparés à partir de solutions de collagène de concentration moyenne (5mg/mL) et haute (40mg/mL). Ces matériaux fibrillaires, simple à façonner, ont été caractérisés par microscopie photonique et électronique et comparés aux éponges de collagène déjà utilisées en thérapeutique. En culture in vitro à long terme, des ostéoblastes humains, primaires ou transformés, se multiplient et s'organisent en une monocouche épithélioïde sur les matrices à 5mg/mL, ou en cellules plates et allongées sur les matrices à 40mg/mL. La minéralisation des matrices, en conditions standard, n'a lieu qu'en présence d'ostéoblastes tandis que les éponges minéralisent de façon spontanée. Dans un défaut crânien engendré chez le rat, les matrices ont permit son comblement à plus de 80%. Elles sont colonisées par les ostéoprogéniteurs qui se différencient et synthétisent de l'os minéralisé ; leur concentration module leur dégradation. En contact en 3D avec le réseau fibrillaire les otéoblastes primaires apparaissent dendritiques et s'organisent en syncytium, reliés par des jonctions communicantes. Cette transition morphologique est décrite in vitro par une approche combinée de microscopies. Ces travaux valident l'utilité des matrices fibrillaires de collagène pour l'ingénierie de l'os. Ils confirment également l'intérêt que peut tirer la recherche fondamentale de disposer de matrices extracellulaires modèles.

Les Speech ABR sont un outil prometteur d'exploration fonctionnelle auditive, qui pourrait à terme être implémenté en routine clinique afin de dépister la surdité et d'évaluer l'efficacité des techniques de réhabilitation auditive. Dans la Partie 1, nous présentons d'abord (i) une étude paramétrique quantifiant les effets de l'artefact électromagnétique, issu du couplage entre la chaine de stimulation et d'acquisition, sur le Speech ABR. Puis nous discutons (ii) les avantages de la représentation temps-fréquence dans l'analyse des Speech ABR, en particulier dans le cas des stimuli de haute fréquence de l'ordre de 500 Hz ou plus. Enfin (iii), nous tentons de déceler les probables générateurs neurophysiologiques sous-jacents du Speech ABR, d'après son comportement en réponse a des stimuli de différentes structures acoustiques. Dans la Partie 2, nous évaluons en premier lieu (i) la relation entre la structure temporelle d'une syllabe /ba/ et la forme temporelle du Speech ABR. Ensuite (ii), nous confrontons le comportement du Speech ABR en fonction de l'intensité de stimulation aux résultats bien connus pour les clics-ABR. Puis, nous étudions (iii) les effets de la hauteur tonale, ainsi que de la nature du stimulus (parole, analogue non-langagier et musique) sur le Speech ABR. La dernière étude de cette Partie 2 (iv) tente de faire le lien entre la qualité de perception d'un analogue non-langagier et la qualité de synchronisation du Speech ABR.

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées accessibles à la lumière. Son principe repose sur l'action conjuguée d'un photosensibilisant, de la lumière et de l'oxygène.<br />Une dosimétrie correcte est nécessaire pour assurer le traitement complet et des résultats reproductibles. Un élément clé de la dosimétrie à prendre en compte est le photoblanchiment, étant donné qu'il diminue la concentration du photosensibilisant au cours du traitement. Il est donc indispensable d'appréhender les mécanismes du photoblanchiment pour maîtriser au mieux le traitement.<br />Le rendement quantique de photoblanchiment de la m-THPBC en solution avec des protéines est de 5.7 x 10-4, les formes agrégées de photosensibilisants photoblanchissent plus lentement que les formes monomérisées. La m-THPBC se transforme sous l'effet de la lumière en m-THPC, ce rendement de phototransformation est influencé par l'état d'agrégation de la molécule. D'autres photoproduits tels que la m-THPBC di-hydroxylée et la m-THPC dihydroxylée ainsi que des dérivés dipyrines ont été observés. L'espèce responsable du photoblanchiment a été identifiée comme étant l'oxygène singulet. In vitro, la LD50 de la m-THPBC est 0.7 J cm-2. Le photoblanchiment est 3 à 5 fois plus sensible que celui de la m-THPC. L'étude de la localisation intra-cellulaire des photosensibilisants a montré une différence, la m-THPC s'accumulant dans le réticulum endoplasmique alors que la m-THPBC se localise dans les mitochondries. In vivo, la m-THPBC possède un photoblanchiment 4 à 10 fois plus élevé que la m-THPC, ainsi qu'une bonne accumulation tumorale. Ces résultats in vitro et in vivo sont particulièrement intéressants en terme de ratio thérapeutique, de sélectivité du traitement et de photosensibilité cutanée.

L'utilisation de la thérapie génique du cancer est limitée actuellement par la faible efficacité de transfection, la durée d'expression du gène et la toxicité des vecteurs. Ces difficultés ont guidé l'orientation de mes travaux dans 3 directions:<br />1/ Utilisation de gènes codant pour des glycoprotéines fusogeniques (FMG) comme gènes suicides à fort effet bystander. <br />2/ La vectorisation de siRNA in vivo par le vecteur polycationiques : polyethylenimine (PEI).<br />3/ La stabilisation de l'expression du transgène à long terme in vivo à l'aide du transposon Sleeping Beauty (SB).<br /><br /> Les résultats de ces travaux montrent que :<br /> 1/ La thérapie génique basée sur l'utilisation de FMG montre un fort intérêt thérapeutique sur des cellules de cancer du poumon humain in vitro et in vivo. En effet, ces protéines FMG ont i/ un fort effet cytotoxique qui passe essentiellement par la fusion entre la cellule transfectée et de nombreuses cellules voisines non-transfectées, ii/ la capacité d'induire une immunité antitumorale induite par la libération des vésicules immunogènes au cours de la mort des cellules fusionnées. Trois FMG ont été testées: GALV, HERV-W et RD. Dans les 3 cas nous avons montré que la transfection de ~1% des cellules in vitro conduit à la formation de large syncytia et à la mort de 25 à 80% des cellules en culture en moins de 5 jours. Le traitement des tumeurs sous-cutanées implantées chez des souris nudes induit une réduction du poids des tumeurs pouvant aller jusqu'à 70% alors que l'efficacité de transfection par injection directe des plasmides dans la tumeur est extrêmement faible (≤1%). Ces résultats démontrent que ces protéines FMG possèdent un potentiel intéressant pour la thérapie génique du cancer. Néanmoins, notre modèle de souris immunodéficient ne nous a pas permis de mesurer l'impact supplémentaire que nous pouvions attendre de la stimulation de la réponse antitumorale activée par la production de syncytiosomes. Cette étude est encore en cours. <br /> 2/ La vectorisation de polyplexes PEI/siRNA in vivo par voie intraveineuse, intrapéritonéale ou sous-cutané avec différentes formulations a montré des résultats faiblement positifs au mieux et souvent peu reproductibles. Nous avons étudié la biodistribution en temps réel de ces complexes en imagerie de fluorescence et mesuré leur capacité à inhiber l'expression d'un gène reporter ou d'un oncogène dans les poumons et/ou les tumeurs des souris. Globalement ces résultats démontrent que le PEI n'est pas un vecteur efficace pour les siRNA dans une approche systémique et que des modifications chimiques sur le PEI et/ou les siRNA devront être envisagées pour augmenter la stabilité et la performance de ces particules.<br /> 3/ L'insertion du transposon SB dans le plasmide vectorisé, complexé à du PEI et injecté en intraveineux, permet de stabiliser l'expression du transgène pendant plus de 4 mois dans les poumons. La mesure en cinétique à long terme du gène reporter dans les poumons montre en effet une forte expression du gène reporter codant pour la luciférase 1 jour après la transfection. Cette expression disparaît rapidement durant les 2 semaines suivantes jusqu'à devenir indétectable. De façon intéressante, le signal luciférase se rétablit ensuite progressivement pour atteindre un plateau 2 mois après la transfection. Le niveau d'intensité du signal de luciférase est alors d'environ 15% de celui mesuré le premier jour. Ces résultats suggèrent que le tansposon SB permet une insertion stable du transgène dans un nombre très restreint de cellules pulmonaires ayant la capacité de se multiplier. Ce résultat est prometteur et offrira une plate-forme d'intérêt qui permettra de vectoriser des gènes codant pour des protéines biologiquement actives, telles que celle codée par le gène CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) pour la thérapie de la mucoviscidose, ou le gène K-Ras pour l'analyse de l'oncogenèse ras-dépendante dans le cancer du poumon. Enfin, les cellules touchées par l'insertion stable du transposon ayant un pouvoir de régénération du poumon important, il semble que nous ayons un moyen de modifier génétiquement des cellules souches pulmonaires. Nous souhaitons donc maintenant les caractériser précisément car cela ouvre des perspectives thérapeutiques importantes.

Le ciblage de la néoangiogenèse tumorale est une voie actuelle de recherche pour le diagnostic et pour le traitement des tumeurs solides. Les cellules endothéliales des néovaisseaux tumoraux surexpriment certains marqueurs spécifiques tels que l'intégrine ΑvΒ3, qui reconnaît spécifiquement les peptides possédant le motif « RGD » (-Arg-Gly-Asp-). Nous avons étudié le potentiel d'un nouveau radiotraceur - le RAFT-RGD - en vue d'imagerie moléculaire nucléaire des néovaisseaux. <br />In vitro, le couplage de 4 c(RGDfK) au RAFT augmente la captation du traceur par les cellules avb3 positives, par rapport au c(RGDfK). De plus, le RAFT-RGD possède une meilleure affinité que le c(RGDfK) et des propriétés d'inhibition de l'angiogenèse similaires. <br />In vivo, l'ensemble des tumeurs, ΑvΒ3 positives et négatives, est visible par imagerie planaire non invasive corps entier, comme en SPECT, dès 30 min post-injection et au-delà de 24 h, grâce à une gamma caméra dédiée au petit animal.<br />Le RAFT-RGD, malgré l'absence d'amélioration du contraste par rapport au cRGD, semble être un traceur prometteur de l'angiogenèse tumorale : il pourrait renseigner sur l'évolution de la pathologie et le suivi de l'efficacité des traitements des tumeurs dans les services de Médecine Nucléaire. De plus, par sa structure chimique, le RAFT-RGD apporte de multiples possibilités de marquage (émetteurs γ et β-), ce qui permet d'envisager des applications intéressantes notamment dans le domaine thérapeutique (radiothérapie interne vectorisée).

Les biopuces sont des systèmes miniaturisés qui permettent des analyses en parallèle et à haut débit. Ainsi, les puces à protéines/peptides sont très utiles dans l'étude des interactions entre diverses molécules biologiques. Nous avons réalisé des puces à protéines et peptides en se basant sur la technologie des polymères conducteurs : la méthode consiste à immobiliser les molécules sondes (protéines ou peptides) sur des supports par électrocopolymérisation à partir d'un mélange de pyrrole et de pyrrole lié à la molécule sonde. Le support consiste en un prisme recouvert d'un film d'or permettant l'analyse des interactions protéine-protéine ou antigène-anticorps par imagerie de la résonance plasmonique de surface. Cette méthode optique, compatible avec des mesures en parallèle, permet une analyse directe, en temps réel et donne accès aux paramètres cinétiques des interactions. Ces puces, de réalisation facile, présentent une très bonne spécificité et une bonne sensibilité. Elles peuvent être régénérées un grand nombre de fois et sont compatibles avec l'analyse d'échantillons biologiques complexes tels que du sérum non dilué. Ces caractéristiques permettent un champ d'application très large, en recherche fondamentale ou clinique mais aussi en diagnostic.

Le canal KATP résulte de l'assemblage d'un canal potassique inhibé par l'ATP intracellulaire (Kir6.2) et d'un transporteur<br />ABC, le récepteur des sulfonylurées (SUR) de la famille MRP/ABCC. SUR a un rôle régulateur essentiel : il confère au<br />canal une sensibilité accrue à l'inhibition par l'ATP, provoque son activation lorsque l'ADP augmente, et est la cible des<br />activateurs et bloqueurs pharmacologiques du canal.<br />Nous nous sommes intéressés à divers aspects structure/fonction de SUR en tant que modèle de transporteur ABC<br />eucaryote. Son couplage naturel à un canal ionique en facilite grandement l'étude grâce à la technique<br />électrophysiologique du patch-clamp.<br />La poursuite des travaux pour déterminer la nature moléculaire de la sélectivité des isoformes de SUR aux ouvreurs<br />pharmacologiques nous a permis de conclure que seul le faible encombrement de la Thr1253 de SUR2A, contre la Met<br />1290 de SUR1, serait le critère important pour l'activation pharmacologique des canaux KATP.<br />Nos travaux ont ensuite porté sur un domaine de la sous-unité SUR riche en acides aminés chargés négativement<br />(succession de 15 résidus glutamates ou aspartates) qui s'est avéré ne pas être impliquée dans la fonction du canal dans<br />notre système d'expression.<br />Nous avons étudié l'effet des ions Zn2+ et Cd2+ intracellulaires sur les canaux KATP et montré que ces ions peuvent activer<br />les canaux via leur liaison à SUR. Ce site de liaison reste encore à déterminer.<br />Nous avons enfin essayé de comprendre le rôle de chacun des domaines de liaison des nucléotides et nous avons pour cela<br />conçu des protéines SUR2A possédant des NBD identiques (NBD1-NBD1 et NBD2-NBD2) ou inversés (NBD2-NBD1).<br />Nos résultats suggèrent que (1) les NBD sont interchangeables (2) l'activation pas le Mg-ADP requiert les deux NBD (3)<br />l'action des ouvreurs est indépendante du NBD2.