Thesis (Ph. D.)--University of Canterbury, 2008. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (p. 211-223). Also available via the World Wide Web.

An idealized atmospheric model consisting of energy and moisture conservation equations is developed for studies of the ocean's role in climate. Testing under fixed oceanic conditions yields a climatology comparable with direct observations, as does the case when the interpentadal (1955–59; 1970–74) sea surface temperature fields are applied. The atmospheric model is then coupled to an ocean general circulation model as well as a thermodynamic ice model without the use of flux adjustments. When configured for a global realistic geometry, the model faithfully represents deep water formation in the Atlantic and Southern Oceans with upwelling throughout the Pacific and Indian Oceans. The model is then utilized to investigate the influence of meltwater discharge on the stability of North Atlantic Deep Water (NADW) production and the Younger Dryas (YD ∼ 14ka). Results suggest pre-YD meltwater is capable of diminishing NADW to the point where diversion of meltwater from the Gulf of Mexico to the St. Lawrence completely inhibits its production. The coupled model appears to be stable in this state, equivalent to the “Southern Sinking” equilibrium identified in previous models. Inclusion of the wind stress/speed feedback, however, has a dramatic effect causing a reestablishment of NADW production. The model is then configured in a four basin-two hemisphere sector geometry, crudely representative of the global oceans. Two identically formulated models (one of which employs flux adjustments) are then perturbed to assess the role of flux adjustments on the ocean's response to a “global warming-like” scenario. Significant global and basin-scale differences exist between the cases which is linked to the influence of the salt-flux adjustment on the overturning cells within the model Atlantic and Southern Oceans. Results further suggest that minimizing the coupling shock prior to applying the perturbation leads to results slightly closer between the models, although large differences still persist. The model is then configured for a highly idealized 60° sector geometry to study the influence of horizontal resolution and parameterized eddy processes on poleward heat transport. As resolution increases, the total oceanic heat transport steadily increases. This result is also evidenced in a parallel series of ocean-only model studies driven by restoring boundary conditions. In each case the increase in heat transport is associated with the steady currents. In particular the baroclinic gyre transport (our model analog of the transport associated with the “Warm Core” jet region of the Gulf Stream) increases by a factor of 5 between coarsest and finest resolution. Spontaneous decadal-scale variability is also found to exist in the higher resolution experiments (with the exception of one of the restoring cases). The oscillation is thermally driven by an advective-convective mechanism and linked to the value of the horizontal diffusivity employed. Increasing the diffusivity in the high resolution cases is enough to destroy the variability, while decreasing the diffusivity in the moderately coarse resolution case is enough to induce the variability. These results point to the importance of higher resolution in the oceanic component of current climate models, yielding enhanced poleward heat transports and revealing the existence of richer decadal-scale variability in models which require less parameterized viscosity and diffusion. / Graduate

La chémérine est une adipokine, initialement décrite comme jouant des rôles centraux dans la régulation de l’adipogenèse, du métabolisme énergétique et de la réponse immunitaire. Plus récemment, elle a été incriminée dans le contrôle de la pression systémique, agissant sur le tonus et le remodelage des artères systémiques. La chémérine interagit avec les cellules en se fixant sur trois récepteurs, le CMKLR1 (chemokine like receptor 1), GPR1 (G protein- coupled receptor 1) et CCRL2 (C-C chemokine receptor-like 2). Le CMKLR1, est le récepteur principalement associé à la signalisation de la chémérine, et a été identifié sur plusieurs types cellulaires (tels que cellules endothéliales et musculaires lisses vasculaires, cellules inflammatoires) jouant des rôles-clés dans la pathogénèse de l’hypertension artérielle pulmonaire. Le but du présent travail était d’évaluer les effets de la chémérine sur la circulation pulmonaire, ainsi que dans le développement de l'hypertension pulmonaire.Nous avons d’abord étudié les effets de la chémérine sur la réactivité artérielle pulmonaire ex vivo et sur les mécanismes impliqués dans le remodelage artériel pulmonaire, plus particulièrement la prolifération, l’apoptose et la migration des cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires in vitro. Ces mécanismes jouent des rôles centraux dans la pathogenèse de l'hypertension artérielle pulmonaire. La réponse des artères pulmonaires a été comparée à celle de l’aorte thoracique. L'expression de la chémérine et de ses 3 récepteurs, évaluée par real-time quantitative polymerase chain reaction (RTq-PCR), a été mis en évidence au sein de l'artère pulmonaire et de l'aorte thoracique, ainsi que dans des cultures primaires de cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires isolées à partir de rats Wistar. L’expression de CMKLR1 était plus élevée par rapport à celles de CCRL2 et GPR1 et le CMKLR1 était exprimé en plus grande quantité dans l’artère pulmonaire que dans l’aorte thoracique. La chémérine et le CMKLR1 étaient exprimés par les cellules présentes dans les 3 couches de l'artère pulmonaire et de l'aorte thoracique (à savoir dans l’intima, la media et l’adventice), ainsi que dans le parenchyme pulmonaire. Nous avons ensuite étudié ex vivo la vasoréactivité des artères pulmonaire et thoracique (pour lesquelles l’endothélium avait été conservé ou éliminé) isolées à partir de rats Wistar à la chémérine seule ou en association avec un autre agent vasoconstricteur, incluant la phényléphrine, la sérotonine et l'endothéline-1. La chémérine augmentait le tonus vasculaire des artères pulmonaires sans endothélium et potentialisait la vasoconstriction induite par la phényléphrine, la sérotonine et l'endothéline-1 dans les deux types d’artères, effet renforcé en l’absence d'endothélium. Dans les artères avec endothélium, le prétraitement à la chémérine diminuait la vasorelaxation induite par l’acétylcholine, alors qu'elle n'avait pas d’effets sur la vasorelaxation induite par le nitroprussiate de sodium (SNP), un donneur d’oxyde nitrique (NO). En présence du NG-nitro-L-arginine methyl ester hydrochloride (L-NAME), un inhibiteur de l’enzyme impliquée dans la synthèse du NO (NO- synthase, NOS), une vasorelaxation persistait dans les artères prétraitées à la chémérine. Le traitement par la chémérine ou par l’inhibiteur de la guanylate cyclase soluble (ODQ :1H- [1,2,4]oxadiazolo-[4, 3-a]quinoxalin-1-one) seuls, diminuait partiellement la vasorelaxation induite par l'acétylcholine dans l'artère pulmonaire et l'aorte thoracique, alors que l'incubation combinée de la chémérine et de l'ODQ l'abollissait totalement. Le traitement avec l'apocynine, un inhibiteur de la production des espèces oxygénées radicalaires (ROS), inversait, en partie ou totalement respectivement, les effets de la chémérine. Dans les deux types d’artères, la production de NO induite par l'acétylcholine, ainsi que l'expression des synthases du NO (NOS endothéliale et inductible), étaient réduites par la chémérine. Dans les cultures primaires de cellules musculaires lisses d’artère pulmonaire et d’aorte thoracique de rat, nous avons évalué les effets de la chémérine seule ou en association avec l'endothéline-1, sur la prolifération, la migration et la résistance à l'apoptose. La chémérine associée à l'endothéline-1 augmentait la prolifération, évaluée par l'incorporation de BrdU (5-bromo-2’-deoxyuridine), alors la chémérine ou à l'endothéline-1 seules n’avait pas d’effets. La chémérine induisait la migration des cellules musculaires lisses d’artère pulmonaire et d’aorte thoracique. Cet effet était exacerbé par l'endothéline-1. La chémérine réduisait, de manière concentration-dépendante, l’apoptose induite par la staurosporine et évaluée par cytométrie de flux après double marquage des cellules à l’annexine V et à l’iodure de propidium. Le rapport pro-apoptotique Bax/Bcl2 était également diminué. Dans les cellules musculaires lisses artèrielles pulmonaires, l'endothéline- 1 augmentait l'expression de CMKLR1, CCRL2 et GPR1, alors que ces expressions n'étaient pas modifiées dans les cellules musculaires lisses d’aorte thoracique. En revanche, la chémérine n'induisait aucune modification de l'expression des récepteurs de l'endothéline A et B (ETA et ETB) et ne modifiait pas l'expression de l'interleukine(IL)-6 et de son récepteur IL-6R et de l’IL-1β, alors que l’expression du TNF-α (tumor necrosis factor-alpha) était augmentée par le traitement par la chémérine (10-7 mol/L) dans cellules musculaires lisses d’artère pulmonaire.Ensuite, des mesures invasives, par cathétérisme cardiaque droit, ont été réalisées chez des souris transgéniques déficientes en CMKLR1 (CMLKR1−/−) et des souris wildtype (WT; CMKLR1+/+) en normoxie et après une exposition chronique à l’hypoxie (10% d’oxygène) pendant 3 semaines, afin d’évaluer l'implication du CMKLR1 dans la physio(patho)logie de la circulation pulmonaire. Les résultats préliminaires montraient que les souris CMKLR1−/− présentaient, en normoxie, une élévation de la pression systolique du ventricule droit et de l’indice de Fulton [poids du ventricule droit/ poids des ventricule gauche + septum interventriculaire] suggérant une hypertension pulmonaire et une hypertrophie ventriculaire droite. Les poids des poumons et du coeur étaient diminués chez les souris CMKLR1−/−. L'exposition chronique à l'hypoxie augmentait la pression systolique du ventricule droit et l'indice de Fulton de manière similaire chez les souris CMKLR1−/− et WT.En conclusion, la chémérine potentialise la vasoconstriction induite par des agents vasoconstricteurs, tels que l’endothéline-1 et la sérotonine, et réduit la vasodilatation induite par l'acétylcholine dans l’artère pulmonaire, via notamment le NO et le stress oxydatif. La chémérine associée à l’endothéline-1, un médiateur-clé de la pathogenèse des maladies hypertensives pulmonaires, induit la prolifération et la migration, et augmente la résistance à l'apoptose des cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires de rat. Ces résultats suggèrent que la chémérine influence l'homéostasie de la circulation pulmonaire et pourrait renforcer les actions de médiateurs impliqués dans la pathogenèse de l'hypertension pulmonaire, comme l'endothéline-1 et la sérotonine, tant au niveau de la contraction que du remodelage artériel pulmonaire. Les souris déficientes en CMKLR1 présentent une légère hypertension pulmonaire, associée à une hypertrophie du ventricule droit en normoxie. Ce phénotype n’est pas agravé par une exposition chronique à l’hypoxie. Ces résultats préliminaires in vivo doivent être complétés pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents.Chemerin has been identified as a vasoactive adipokine implicated in systemic pressure regulation. Chemerin has also been shown to increase proliferation and migration of systemic vascular smooth muscle cells. Chemokine-like receptor 1 (CMKLR1), the major known signaling receptor of chemerin, is present on different cell types such as vascular endothelial and smooth muscle cells, immune and inflammatory cells, all of these cells playing crucial roles in the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension. These observations led us to suggest that chemerin could play a role in pulmonary circulation homeostasis and that alterations of this signaling pathway could participate to the development of pulmonary hypertension.In the first part of the present research project, we studied the effects of chemerin on pulmonary circulation, evaluating its impact on pulmonary artery reactivity ex vivo and on pulmonary artery smooth muscle cell proliferation, apoptosis and migration in vitro. These mechanisms have all been incriminated in the pathophysiological development of pulmonary arterial hypertension. Pulmonary circulation (pulmonary artery) was compared to systemic circulation (thoracic aorta). Expression of chemerin and its three receptors [CMKLR1, G protein-coupled receptor 1 (GPR1) and C-C chemokine receptor-like 2 (CCRL2)], evaluated by real-time quantitative polymerase chain reaction (RTq-PCR), were identified in pulmonary artery and thoracic aorta, and in cultured pulmonary artery smooth muscle cells from Wistar rats, with higher expression of CMKLR1 compared to CCRL2 and GPR1 and higher expression of CMKLR1 in pulmonary artery than in thoracic aorta. Chemerin and CMKLR1 expressions were localized (by immunohistochemistry) in the 3 layers of pulmonary artery and thoracic aorta, as well as in lung parenchyma. Thereafter, we studied ex vivo vasoreactivity in rat endothelium-denuded and -intact arteries to chemerin alone or in association with a vasoconstrictor, including phenylephrine serotonin and endothelin-1. Chemerin increased vascular tone in endothelium-denuded pulmonary artery and potentiated phenylephrine-, endothelin-1- and serotonin-induced vasoconstriction in both pulmonary artery and thoracic aorta, which was further enhanced by endothelium removal. In endothelium-intact arteries, chemerin pretreatment decreased acetylcholine-induced vasorelaxation, while it did not affect relaxation induced by sodium nitroprusside (SNP), a nitric oxide (NO) donor. In presence of a the NO-synthase inhibitor (NG-nitro-L-arginine methyl ester hydrochloride: L-NAME), there remained a vasorelaxation in chemerin-pre-treated arteries, suggesting that chemerin could potentiate another vasodilating pathway. Treatment with chemerin or a soluble guanylate cyclase inhibitor (1H-[1,2,4]oxadiazolo-[4, 3-a]quinoxalin-1-one: ODQ) alone partly decreased acetylcholine-induced vasorelaxation in pulmonary artery and thoracic aorta, while combined chemerin and ODQ incubation abolished it. Treatment with apocynin, a ROS production inhibitor, partly or totally reversed chemerin effects. In both types of arteries, acetylcholine- induced NO production, as well as endothelial NO synthase (eNOS) and inducible NO synthase (iNOS) gene expression, were reduced by chemerin. In primary cultured smooth muscle cells isolated from rat pulmonary arteries and thoracic aorta by the explant technique, we evaluated the effects of chemerin alone or in association with endothelin-1, on proliferation, migration and resistance to apoptosis. Chemerin added to endothelin-1 increased proliferation, assessed by 5-bromo-2’-deoxyuridine (BrdU) incorporation, while chemerin or endothelin-1 alone did not. This effect was less pronounced in thoracic aorta smooth muscle cells. Migration assessed by the Transwell migration assay, showed that chemerin induced migration of rat pulmonary artery and thoracic aorta smooth muscle cells. This effect was exacerbated in presence of endothelin-1 and more pronounced in thoracic aorta smooth muscle cells. In both cell types, chemerin concentration-dependently reduced staurosporine-induced apoptosis, assessed, by flow cytometry, in annexinV and propidium iodure-stained cells. Pro-apoptotic Bcl2 associated X (Bax)-to-Bcl2 apoptosis regulator (Bcl2) ratio was accordingly decreased. In pulmonary artery smooth muscle cells, endothelin-1 treatment increased relative gene expression of CMKLR1, CCRL2 and GPR1, while these expressions were not altered in thoracic aorta smooth mucle cells. In contrast, chemerin did not alter expression of endothelin receptors A and B (ETA and ETB) and chemerin did not alter gene expression of interleukin-6 (IL-6), its receptor IL-6R and interleukin-1beta (IL-1β) but tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) was increased with 10-7 mol/L chemerin in pulmonary artery smooth muscle cells.In the second part of the project, we studied the pulmonary circulation in transgenic CMKLR1-knockout mice (CMLKR1−/−) and challenged it by chronic hypoxia exposure (FiO2 of 10%) during 3 weeks to asses the implication of chemerin/CMKLR1 signaling in the development of pulmonary hypertension. This part of the project is still ongoing. Preliminary results showed that CMKLR1−/− mice presented, in normoxia, higher right ventricular systolic pressure, increased Fulton index [assessed by the ratio of the weights of the right ventricle to the (left ventricle + interventricular septum) weight] showing right ventricular hypertrophy, together with lower lung and heart weights. Chronic hypoxia exposure increased right ventricular systolic pressure and Fulton index similarly in both transgenic and WT mice.In conclusion, chemerin potentiated vascular responses to vasoconstrictors (endothelin- 1 and serotonin) and impaired acetylcholine-induced vasodilatation in pulmonary artery, by mechanisms involving at least partly NO signaling and oxidative stress. Chemerin, together with a key mediator involved in the pathogenesis of pulmonary hypertensive diseases, endothelin-1, stimulated proliferation and migration, and increased resistance to apoptosis in rat primary cultured pulmonary artery smooth muscle cells. Altogether, these results suggest that chemerin influences rat pulmonary circulation homeostasis, and could reinforce the actions of mediators implicated in the pathogenesis of pulmonary hypertension, such as endothelin-1 and serotonin, in pulmonary artery contraction and remodeling. Knocking-out CMKLR1 signaling in mice was associated with mild pulmonary hypertension, in animals presenting lower lung and heart weights. These preliminary in vivo results have to be completed to understand better underlying mechanisms. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Typescript. / Digitized by Kansas State University Libraries

On sait depuis longtemps que l’exposition à l’altitude est associée à une réduction de l’aptitude aérobie. Différentes hypothèses ont été posées pour expliquer cette limitation à l’effort en hypoxie (une limitation ventilatoire ou diaphragmatique, une altération de la diffusion pulmonaire et une disconcordance entre de la perfusion et la diffusion tissulaire, etc.) mais généralement, la limitation de l’effort aérobie en hypoxie est attribuée à une diminution du transport sanguin de l’O2 (TO2) parc convection vers les muscles. Le TO2 dépend du débit cardiaque (Q) et du contenu artériel en O2 (CaO2). Le CaO2 est diminué en altitude à cause d’une diminution de la pression partielle inspirée en O2. Cependant, le chémoréflexe hypoxique tente de contrebalancer cet effet en élevant la ventilation et en diminuant la pression alvéolaire en CO2 afin de maintenir la pression alvéolaire en O2 constante. De plus, avec l’acclimatation, le rein produit de l’érythropoïétine permettant au taux d’hémoglobine d’augmenter. Ces deux principales adaptations à l’altitude ramènent le CaO2 à sa valeur de base du niveau de la mer en 2 à 3 semaines passées à 5000 m d’altitude mais sans amélioration de l’aptitude à l’effort aérobie. L’exposition à l’altitude est aussi associée à une diminution du Q maximal. Les mécanismes à l’origine de cette limitation du Q maximal restent, à l’heure actuelle, incompris. Les principales explications évoquées sont, une diminution de la réserve chronotrope, une diminution de la commande nerveuse centrale vers le cœur ou une diminution de la demande périphérique. Récemment, des études sur des sujets sains en hypoxie suggérèrent qu’au moins une partie de la limitation du Q maximal à l’effort est liée à une élévation de la postcharge ventriculaire droite suite à l’hypertension pulmonaire induite par l’hypoxie. C’est cette hypothèse que nous avons voulu vérifier dans une première étude. Nous avons étudié l’effet d’une inhibition de l’hypertension pulmonaire d’altitude par le sildénafil, un inhibiteur de la phosphodiestrérase-5, chez des sujets sains, en normoxie, en hypoxie aiguë et en hypoxie chronique. Les résultats de cette étude ont confirmé l’effet vasodilatateur pulmonaire du sildénafil et une augmentation de la VO2max en hypoxie aiguë. Cependant, la prise de ce dernier était couplée à une amélioration de l’oxygénation, si bien que l’élévation de la performance aérobie observée en hypoxie aiguë sous sildénafil ne pouvait être entièrement attribuée à une réduction de l’hypertension pulmonaire. Nous conclurent que cette amélioration de la performance était probablement d’avantage liée à une amélioration de l'oxygénation qu’à un effet vasodilatateur pulmonaire. Les résultats équivoques obtenus lors de cette première étude nous ont incité à tester les effets d’une amélioration de l’oxygénation sur la performance aérobie en haute altitude. Pour ce faire, quinze sujets sains ont été testés au niveau de la mer et après acclimatation à 4700 m d’altitude soit sous placebo, soit sous acétazolamide, un inhibiteur de l’anhydrase carbonique augmentant l’oxygénation par stimulation ventilatoire en réponse à une acidose métabolique. La prise d’acétazolamide n’eut aucun effet sur l’hémodynamique pulmonaire et sur la VO2max et la charge maximale. Nous avons toutefois observé qu’une amélioration de l’oxygénation durant l’effort retarde l’apparition du seuil ventilatoire améliorant ainsi la phase aérobie de l’effort. Cette étude confirme donc qu’une élévation du CaO2 permet une amélioration de l’aptitude aérobie. Finalement, la dernière étude a pour but d’étudier les effets isolés d’une vasodilatation pulmonaire sur la performance aérobie en altitude. Les résultats d’une étude préliminaire montrent que l’inhibition de la vasoconstriction hypoxique par un agent pharmacologique antagoniste des récepteurs de l’endothéline ETA et ETB, le bosentan, permet une élévation de l’aptitude aérobie en hypoxie aiguë, sans effets sur l’oxygénation, confirmant ainsi notre hypothèse initiale qu’une postcharge ventriculaire droite augmentée en hypoxie peut contribuer à une limitation de l’aptitude à l’effort aérobie en hypoxie. Conclusions : L’ensemble de nos résultats suggère que l’aptitude aérobie en altitude est déterminée par le transport d’O2 qui peut être augmenté par manipulation pharmaceutique du débit ventriculaire droit maximal après inhibition de la vasoconstriction pulmonaire hypoxique (bosentan), amélioration de l’oxémie (acétazolamide) ou des deux (sildénafil).

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.