Le projet de cette thèse porte sur la graisse ectopique cardiaque et son lien avec les pathologies cardiovasculaires. Dans un premier travail, nous avons mis au point la technique de mesure du volume de graisse épicardique, et du contenu en triglycérides intramyocardique chez le patient obèse morbide en imagerie de résonance magnétique à 3T, et spectroscopie proton. Nous avons montré que les deux dépôts de graisse ectopique augmentent avec l’obésité, mais sans continuum avec la prise de poids. Alors que la graisse épicardique est liée aux paramètres de la tolérance glucidique, la graisse intramyocardique est liée à la fonction cardiaque. Dans un second travail, nous avons montré qu’une perte de poids induite par une chirurgie bariatrique induit une diminution significative de la graisse épicardique, sans modifier la graisse intramyocardique, suggérant une différence de flexibilité de ces graisses avec la perte de poids. Nous avons également exploré le lien entre graisse épicardique et athérosclérose. Sur une cohorte de volontaires sains, nous avons montré que l’accumulation de graisse épicardique était inversement corrélée à la vasoréactivité de la microcirculation coronaire, suggérant que la graisse épicardique pourrait influer de manière précoce la fonction endothéliale. Enfin, en utilisant une approche transcriptomique, nous avons montré une signature spécifique du TAE humain en fonction de sa localisation anatomique. Ces travaux ouvrent de nouvelles pistes dans la compréhension du développement de la graisse ectopique cardiaque. / Cardiac ectopic fat deposition and its link with cardiovascular pathophysiology was the aim of this PhD project. We first developed 3T cardiovascular magnetic resonance imaging assessment of epicardial fat volume, and proton spectroscopy measurement of myocardial triglyceride content in a cohort of morbid obese subjects. We demonstrated that the two cardiac depots increased with obesity, but not continuously with gain weight. While epicardial fat was related to glucose tolerance parameters, myocardial fat was related to cardiac function. We then studied the effect of bariatric surgery induced weight loss on epicardial and myocardial fat, and found a significant decrease in epicardial fat, but no change in myocardial fat, highlighting differences in the dynamics and flexibility of these two fat pads with weight loss. Focusing on epicardial fat and its potential role in atherosclerosis, we evaluated the effect of epicardial fat volume on endothelium dependent vasoreactivity of the coronary microcirculation, in highly selected healthy volunteers. We found that a high epicardial fat amount was associated with a lower coronary microvascular response, suggesting that epicardial fat could early influence endothelial function. Finally, we identified a specific signature of three anatomically distinct human epicardial adipose tissues, using a transcriptomic approach. All together, our data bring new insights in the comprehension of specific partitioning of cardiac ectopic lipid deposition.

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

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La fibrillation auriculaire, l'arythmie la plus fréquente en clinique, affecte 2.3 millions de patients en Amérique du Nord. Pour en étudier les mécanismes et les thérapies potentielles, des modèles animaux de fibrillation auriculaire ont été développés. La cartographie électrique épicardique à haute densité est une technique expérimentale bien établie pour suivre in vivo l'activité des oreillettes en réponse à une stimulation électrique, à du remodelage, à des arythmies ou à une modulation du système nerveux autonome. Dans les régions qui ne sont pas accessibles par cartographie épicardique, la cartographie endocardique sans contact réalisée à l'aide d'un cathéter en forme de ballon pourrait apporter une description plus complète de l'activité auriculaire. Dans cette étude, une expérience chez le chien a été conçue et analysée. Une reconstruction électro-anatomique, une cartographie épicardique (103 électrodes), une cartographie endocardique sans contact (2048 électrodes virtuelles calculées à partir un cathéter en forme de ballon avec 64 canaux) et des enregistrements endocardiques avec contact direct ont été réalisés simultanément. Les systèmes d'enregistrement ont été également simulés dans un modèle mathématique d'une oreillette droite de chien. Dans les simulations et les expériences (après la suppression du nœud atrio-ventriculaire), des cartes d'activation ont été calculées pendant le rythme sinusal. La repolarisation a été évaluée en mesurant l'aire sous l'onde T auriculaire (ATa) qui est un marqueur de gradient de repolarisation. Les résultats montrent un coefficient de corrélation épicardique-endocardique de 0.8 (expérience) and 0.96 (simulation) entre les cartes d'activation, et un coefficient de corrélation de 0.57 (expérience) and 0.92 (simulation) entre les valeurs de ATa. La cartographie endocardique sans contact apparait comme un instrument expérimental utile pour extraire de l'information en dehors des régions couvertes par les plaques d'enregistrement épicardique. / Atrial fibrillation is the most common clinical arrhythmia currently affecting 2.3 million patients in North America. To study its mechanisms and potential therapies, animal models of atrial fibrillation have been developed. Epicardial high-density electrical mapping is a well-established experimental instrument to monitor in vivo the activity of the atria in response to pacing, remodeling, arrhythmias and modulation of the autonomic nervous system. In regions that are not accessible by epicardial mapping, noncontact endocardial mapping performed through a balloon catheter may provide a more comprehensive description of atrial activity. In this study, a dog experiment was designed and analyzed in which electroanatomical reconstruction, epicardial mapping (103 electrodes), noncontact endocardial mapping (2048 virtual electrodes computed from a 64-channel balloon catheter), and direct-contact endocardial catheter recordings were simultaneously performed. The recording system was also simulated in a computer model of the canine right atrium. For simulations and experiments (after atrio-ventricular node suppression), activation maps were computed during sinus rhythm. Repolarization was assessed by measuring the area under the atrial T wave (ATa), a marker of repolarization gradients. Results showed an epicardial endocardial correlation coefficient of 0.8 (experiment) and 0.96 (simulation) between activation times, and a correlation coefficient of 0.57 (experiment) and 0.92 (simulation) between ATa values. Noncontact mapping appears to be a valuable experimental device to retrieve information outside the regions covered by epicardial recording plaques.

La fibrillation auriculaire, l'arythmie la plus fréquente en clinique, affecte 2.3 millions de patients en Amérique du Nord. Pour en étudier les mécanismes et les thérapies potentielles, des modèles animaux de fibrillation auriculaire ont été développés. La cartographie électrique épicardique à haute densité est une technique expérimentale bien établie pour suivre in vivo l'activité des oreillettes en réponse à une stimulation électrique, à du remodelage, à des arythmies ou à une modulation du système nerveux autonome. Dans les régions qui ne sont pas accessibles par cartographie épicardique, la cartographie endocardique sans contact réalisée à l'aide d'un cathéter en forme de ballon pourrait apporter une description plus complète de l'activité auriculaire. Dans cette étude, une expérience chez le chien a été conçue et analysée. Une reconstruction électro-anatomique, une cartographie épicardique (103 électrodes), une cartographie endocardique sans contact (2048 électrodes virtuelles calculées à partir un cathéter en forme de ballon avec 64 canaux) et des enregistrements endocardiques avec contact direct ont été réalisés simultanément. Les systèmes d'enregistrement ont été également simulés dans un modèle mathématique d'une oreillette droite de chien. Dans les simulations et les expériences (après la suppression du nœud atrio-ventriculaire), des cartes d'activation ont été calculées pendant le rythme sinusal. La repolarisation a été évaluée en mesurant l'aire sous l'onde T auriculaire (ATa) qui est un marqueur de gradient de repolarisation. Les résultats montrent un coefficient de corrélation épicardique-endocardique de 0.8 (expérience) and 0.96 (simulation) entre les cartes d'activation, et un coefficient de corrélation de 0.57 (expérience) and 0.92 (simulation) entre les valeurs de ATa. La cartographie endocardique sans contact apparait comme un instrument expérimental utile pour extraire de l'information en dehors des régions couvertes par les plaques d'enregistrement épicardique. / Atrial fibrillation is the most common clinical arrhythmia currently affecting 2.3 million patients in North America. To study its mechanisms and potential therapies, animal models of atrial fibrillation have been developed. Epicardial high-density electrical mapping is a well-established experimental instrument to monitor in vivo the activity of the atria in response to pacing, remodeling, arrhythmias and modulation of the autonomic nervous system. In regions that are not accessible by epicardial mapping, noncontact endocardial mapping performed through a balloon catheter may provide a more comprehensive description of atrial activity. In this study, a dog experiment was designed and analyzed in which electroanatomical reconstruction, epicardial mapping (103 electrodes), noncontact endocardial mapping (2048 virtual electrodes computed from a 64-channel balloon catheter), and direct-contact endocardial catheter recordings were simultaneously performed. The recording system was also simulated in a computer model of the canine right atrium. For simulations and experiments (after atrio-ventricular node suppression), activation maps were computed during sinus rhythm. Repolarization was assessed by measuring the area under the atrial T wave (ATa), a marker of repolarization gradients. Results showed an epicardial endocardial correlation coefficient of 0.8 (experiment) and 0.96 (simulation) between activation times, and a correlation coefficient of 0.57 (experiment) and 0.92 (simulation) between ATa values. Noncontact mapping appears to be a valuable experimental device to retrieve information outside the regions covered by epicardial recording plaques.

Vu le caractère non-invasif des procédures d’électrophysiologie interventionnelle, la visualisation de régions anatomiques d'intérêt et une orientation adéquate en cours de procédure sont nécessaires. L'objectif de cette thèse est d'étudier, d'optimiser et d'étendre l’utilisation des modalités d'imagerie radiographique. La dose de radiation effective (ED) est calculée d’une façon spécifique au patient pour l’angiographie rotationnelle 3D (3DRA) et il est démontré qu'en ajustant l’acquisition en 3DRA et en fluoroscopie, une réduction de dose importante est possible sans compromettre la qualité d’image nécessaire à la procédure. Un protocole d'acquisition et post traitement pour obtenir une imagerie dynamique basée sur le 3DRA est présenté,permettant une réduction du bruit d'image et une segmentation d'images automatique. L'extraction d'informations dynamiques, structurelles et fonctionnelles à partir d'images MDCT, relatives à la gestion de la fibrillation auriculaire (FA) est étudiée. La fonction auriculaire globale est examinée et des cartes de mouvement régional et de tissu adipeux épicardique sont produites et liés à la FA à différents stades. Une méthode automatisée est présentée pour mesurer l’orifice de l’appendice auriculaire gauche au long du cycle cardiaque et pour optimiser le déploiement de dispositifs de fermeture. Optimiser l’usage des rayons X, les protocoles d'acquisition et les méthodes de post traitement d’images, permet d’obtenir des informations supplémentaires pertinentes aux procédures d'électrophysiologie interventionnelle depuis les modalités d'imagerie radiographiques sans compromettre la qualité d’image ou le flux de travail procédural. / Due to their non-invasive character, interventional electro physiological procedures require visualisation of anatomical regions of interest and adequate guidance of procedural manoeuvres. The aim of this thesis was to study, optimise and expand the use of radiographic imaging modalities. The first part focuses on the influence of C-arm system image acquisition parameters on radiation dose incurred by the patient. We developed a patient-specific way to calculate effective dose (ED) in 3Drotational angiography (3DRA) and showed in 3DRA and fluoroscopy that by applying adequate protocol adjustments, an important dose reduction could be obtained without compromising necessary image quality. The second part focuses on the development and validation of an acquisition and post-processing protocol for dynamic imaging using 3DRA. This method enables automatic image noise reduction and image segmentation. The third part focuses on the extraction of dynamic,structural and functional information from MDCT images, relevant to management of atrial fibrillation (AF). We studied atrial function and generated maps of regional atrial motion and epicardial adipose tissue and related them to AF burden. We also developed an automated method to measure LA appendage orifice dimensions through out the cardiac cycle to optimise measurements for deployment of closure devices.Overall we demonstrate that by optimising radiation usage, acquisition protocols and image post-processing methods, additional information relevant to interventional electrophysiological procedures can be extracted from radiographic imaging modalities without compromising image quality or procedural workflow.

Le diabète de type 2 (DbT2) est une maladie chronique caractérisée par des taux sanguins élevés de glucose pouvant engendrer de multiples complications, sources de morbidité et mortalité importantes. De façon alarmante, la prévalence mondiale est en augmentation due en grande partie au vieillissement de la population et à l’adoption d’habitudes de vie (HDV) malsaines. La sédentarité et la mauvaise qualité alimentaire sont à la base d’une épidémie d’obésité qui joue un rôle crucial dans la pathogénèse du DbT2. La modification des HDV en visant une balance calorique négative demeure un traitement primordial dans la prise en charge de cette maladie. Toutefois, il persiste un doute par rapport à la thérapie à privilégier entre une restriction calorique (RC) ou une combinaison d’une thérapie à base de RC et d’activité physique (AP), afin de favoriser une perte de masse grasse et de gras épicardique. Ce dernier représente le gras viscéral du cœur et est un marqueur émergent qui pourrait aider dans la stratification du risque cardiovasculaire. Le but général de ce mémoire est de caractériser les effets indépendants de la RC et de l’AP sur le gras total, le gras épicardique et le profil cardiométabolique des personnes atteintes de DbT2. Pour ce faire, une étude randomisée contrôlée de 16 semaines fut menée avec 73 patients répartis en 3 groupes de randomisation (Contrôle, RC, RC+AP) en visant un déficit calorique similaire dans les 2 groupes d’intervention. Les résultats ont démontré que la combinaison RC+AP favorise une réduction plus significative de la masse grasse totale et de l’épaisseur du gras épicardique. Toutefois, il n’y a pas eu d’amélioration additionnelle du profil cardiométabolique. Ces résultats doivent maintenant être validés dans de plus grosses études. / Type 2 diabetes (T2D) is a chronic disease characterized by high blood sugar that can lead to many complications with potential morbid outcomes. Alarmingly, the worldwide prevalence is increasing at a high rate mainly du to aging and harmful lifestyle habits. In fact, inactivity and poor food choices are at the heart of an obesity epidemic that plays a crucial role in the pathogenesis of T2D. Lifestyle modifications thus play an important role in patient care. However, it remains uncertain which therapy between a caloric restriction (CR) alone or a combination of CR plus physical activity (PA) should be encouraged to achieve better reduction in fat mass and in epicardial fat thickness. The latter represents the visceral fat depot of the heart and is emerging as an important marker for predicting and stratifying cardiovascular risk. The objective of this Master’s thesis is to better characterize the independent effects of CR and PA on total fat mass, epicardial fat, and overall cardiometabolic profile of patients with T2D. To achieve this, a randomized controlled 16-week trial was performed, with 73 patients randomized to 1 of 3 groups (Control, CR, or CR+PA), while aiming for a similar caloric deficit in both intervention groups. Results showed that the combination of CR+PA allows a larger reduction of fat mass and epicardial fat thickness. However, these findings did not translate into significant differences in cardiometabolic improvements between groups. These results now need to be validated in larger cohorts with longer follow-ups.

Le diabète est aujourd’hui la 7ème cause de mortalité dans le monde. Dans cette population, la cardiomyopathie diabétique est la principale cause de morbi-mortalité. Le développement de cette complication débutant dès l’apparition du diabète, un dépistage et une prise en charge précoces de cette pathologie sont donc de première importance et sont les deux objectifs visés par ces travaux. La première étude que nous avons réalisée a permis de démontrer l’utilité d’une évaluation compréhensive de la fonction régionale myocardique gauche par 2D speckle-tracking imaging, en conditions de stress à la dobutamine, dans le dépistage précoce de la cardiomyopathie diabétique chez des patients diabétiques de type 2 asymptomatiques. La deuxième partie de ces travaux a, quant à elle, donné lieu à deux études. L’étude clinique a permis de mettre en évidence une amélioration de la réponse au stress de la fonction régionale myocardique après 3 mois de supplémentation en vitamine D3 chez des patients carencés. L’étude expérimentale a, pour sa part, souligné les effets bénéfiques sur le remodelage et la fonction cardiaques de cette supplémentation, en prévention secondaire, dans un modèle murin de diabète de type 2 induit par un régime gras et sucré. Par ailleurs, cette étude a mis en lumière l’implication potentielle d’une modulation des taux myocardiques en espèces lipotoxiques par la vitamine D3 dans ces effets. L’ensemble de ces travaux de thèse a ainsi permis, d’une part, de proposer une technique de dépistage des signes précoces d’altération de la fonction cardiaque chez le patient diabétique de type 2 et, d’autre part, de montrer les effets bénéfiques d’une supplémentation en vitamine D3 dans ce contexte. / Diabetes has reached the 7th place in the world’s top ten mortality causes. In this population, morbi-mortality mainly originates from diabetic cardiomyopathy. This complication evolving from the onset of diabetes, early diagnosis and care are of paramount importance and are the two purposes of this work. In our first study, we demonstrated the relevance of a comprehensive 2D speckle-tracking imaging analysis, under dobutamine stress, in unmasking early left ventricular regional myocardial dysfunction in a population of asymptomatic type 2 diabetic patients. In the second part of this work, we performed two studies. In the first one, we brought to light an improvement of regional myocardial function response to dobutamine stress after a three-month vitamin D3 supplementation protocol, in deficient patients. The second study was performed in a mouse model of diet-induced type 2 diabetes. In this last work, we put forward the beneficial effects of vitamin D3 supplementation, in secondary prevention, on cardiac remodeling and function. These cardioprotective effects may be, at least in part, on account of modulatory effects of vitamin D3 on myocardial lipotoxic species levels. This whole work allow us to propose a tool enabling recognition of early cardiac function impairments in type 2 diabetic patients and to demonstrate the beneficial effects of vitamin D3 supplementation in this context.

Le projet de cette thèse porte sur le développement de dépôts lipidiques ectopique et leur modulation suite à des intervenions thérapeutiques par imagerie résonance magnétique.Dans notre première étude, nous avons établi l’ordre chronologique d’apparition de graisses ectopiques et d’anomalies cardiaques dans un modèle de souris soumises à un régime riche en graisse et en sucre. Un traitement de courte durée à l’exendine-4 permet une amélioration de tous les paramètres altérés. Dans la deuxième étude, nous avons évalué l’impact d’un traitement de l’obésité sur les dépôts ectopique de graisse cardiaque (TAE et stéatose), hépatique et pancréatique à deux temps (6 mois et 32 mois) après chirurgie bariatrique. Nous avons montré que ce traitement chirurgical permet une réduction de tous ces dépôts, avec une cinétique différente. Enfin, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés à l’effet du poids de naissance sur le développement de tissu adipeux épicardique. Cette étude nous a permis de mettre en évidence qu’il existe une accumulation plus importante de TAE à l’âge adulte lorsque le poids de naissance est augmenté ; et que les paramètres poids de naissance et croissance entre 2 et 12 ans, jouent un rôle important dans la mise en place de ce dépôts de graisse ectopique. En somme, ces résultats permettent une avancée dans la compréhension du développement des dépôts de graisses et de leur modulation. / The project of this thesis mainly focuses on ectopic lipid deposition development and their flexibility following therapeutic intervention. In our first study, we set out chronological order of ectopic fat onset and cardiac abnormalities in a high fat high sucrose mice model. Short duration exendin-4 treatment reverses every altered parameter. In the second study, we assessed treatment of obesity effect on cardiac ectopic fat deposition (EAT and steatosis), as well as hepatic and pancreatic fat at two different time points (6 months and 32 months) after bariatric surgery. We show significant reduction of every ectopic fat deposition, however in different kinetic. Finally, in a third study, we investigate birth weight effect on epicardial adipose tissue development. This study demonstrate important EAT accumulation in adulthood when birth weight is increased. Furthermore, birth weight and catch up growth in childhood between 2 and 12 years parameters impact significantly the development of epicardial fat.In summary, these results provide better understanding of ectopic fat deposition development and modulation.

La fibrillation auriculaire (FA) est le type d’arythmie cardiaque le plus fréquent. Cependant, ses mécanismes sont encore mal compris et le développement de stratégies thérapeutiques efficaces reste un défi. Des recherches ont montré que les mécanismes de remodelage structurel, notamment la dissociation électrique endocardique-épicardique, jouent un rôle potentiellement important dans l'initiation, la complexité et le maintien de la FA. En ce sens, les potentiels extracellulaires sont des outils non invasifs largement utilisés dans le diagnostic et la compréhension de cette arythmie ainsi que dans le guidage des interventions par cathéter. L'objectif principal de cette thèse était de développer des modèles informatiques des oreillettes et d’étudier dans ces modèles comment les potentiels extracellulaires et les cartes d'activation à haute résolution peuvent être exploités pour caractériser les mécanismes de dissociation endocardique-épicardique en tant que substrat de la FA. Dans un premier temps, en utilisant un modèle de tissu auriculaire, nous avons montré que la dissociation endo-épicardique (délai endo-épicardique et couplage transmural) affecte l'asymétrie des électrogrammes unipolaires à travers l'orientation des sources de courant dipolaire dans le tissu auriculaire. Ce résultat a été par la suite confirmé par l’analyse morphologique des composantes de l’onde P dans un modèle anatomique des oreillettes. Nous avons en outre montré que l’épaisseur de la paroi auriculaire ainsi que le couplage transmural étaient des déterminants importants de ce délai, et que ce dernier peut induire des altérations significatives de la morphologie l’onde P même lorsque les cartes d’activation sont similaires et que les ondes P ont la même durée. Dans un second temps, nous avons exploré les effets tridimensionnels de la dissociation endo-épicardique et validé une technique de détection de percée d’ondes (breakthroughs) basée sur l’analyse des cartes d'activation à haute résolution et le suivi des ondes, en utilisant un modèle électro-anatomique de découplage endo-épicardique local. Nous avons utilisé cet outil pour la caractérisation de la dissociation endo-épicardique. Un critère de validité en a été dérivé, ce qui faciliterait la comparaison des taux de percée avec les données cliniques et la validation des outils d'analyse des signaux cartographiques lors de la caractérisation de la dissociation endo-épicardique. Enfin, nous avons développé un outil d'optimisation multi-paramètre qui rend possible l’étude des limites des modèles continus homogénéisés dans l'étude des mécanismes de dissociation endo-épicardique et aide dans le choix des modèles (continu homogénéisé ou discret détaillé). L’outil permet d’estimer le profil régulier de conductivité qui reproduit le mieux les propriétés de conduction cardiaque d'un modèle discret donné. Les résultats ont montré l'efficacité de cet outil pour reproduire des cartes d'activation dans le modèle homogénéisé même en présence de fibrose sévère. Ultimement, ce travail pose les bases du développement de nouveaux modèles informatiques pouvant aider à l’interprétation des signaux électriques dans des tissus cardiaques remodelés où la présence de micro-hétérogénéités exhibe les limites des modèles homogénéisés. / Atrial fibrillation (AF) is the most common type of cardiac arrhythmia. However, its mechanisms are still poorly understood and the development of effective therapeutic strategies remains a challenge. Research studies have shown that the mechanisms of structural remodeling, including endocardial-epicardial electrical dissociation, play a potentially important role in the initiation, complexity, and maintenance of AF. In this sense, extracellular potentials are non-invasive tools widely used in the diagnosis and understanding of this arrhythmia as well as in the guidance of catheter interventions. The main objective of this thesis was to develop computer models of the atria and to study in these models how extracellular potentials and high resolution activation maps can be exploited to characterize the mechanisms of endocardial-epicardial dissociation as substrate of AF. First, using an atrial tissue model, we showed that endo-epicardial dissociation (endo-epicardial delay and transmural coupling) alters the asymmetry of unipolar electrograms through the orientation of dipolar current sources in the atrial tissue. This result was later confirmed by morphological analysis of the P-wave components in an anatomical model of the atria. We further showed that atrial wall thickness as well as transmural coupling were important determinants of this delay, and that the latter can induce significant alterations in P-wave morphology even when activation maps are similar and P-waves have the same duration. Secondly, we explored the three-dimensional effects of endo-epicardial dissociation and validated a breakthrough wave detection technique based on the analysis of high-resolution activation maps and wave tracking, using an electro-anatomical model of local endo-epicardial decoupling. We used this tool for the characterization of endo-epicardial dissociation. A validity criterion was derived, which would facilitate the comparison of breakthrough rates with clinical data and the validation of mapping signals analysis tools for characterizing endo-epicardial dissociation. Finally, we developed a multi-parameter optimization tool that makes it possible to study the limits of homogenized continuous models in the study of endo-epicardial dissociation mechanisms and to help in the choice of models (homogenized continuous or detailed discrete). The tool enabled the estimation of the regular conductivity profile that best reproduces the cardiac conduction properties of a given discrete model. The results showed the effectiveness of this tool in reproducing activation maps in the homogenized model even in the presence of severe fibrosis. Ultimately, this work lays the foundations for the development of new computer models that can help in the interpretation of electrical signals in remodeled heart tissues where the presence of micro-heterogeneities exhibits the limits of homogenized models.