Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Les mutations du gène SCN5A, codant la sous-unité ? du canal Na+ cardiaque Nav1.5, sont responsables d'arythmies cardiaques héréditaires. La pénétrance incomplète observée dans ces maladies suggère l'existence d'autres facteurs modulant le phénotype associé à ces mutations. Dans ce travail de thèse, nous avons caractérisé deux mutations identifiées dans SCN5A. Le mutant R104W, identifié chez un patient atteint du syndrome de Brugada, est retenu dans le réticulum endoplasmique (RE), dégradé par le protéasome et abolit le courant Na+. Co-exprimé avec le canal sauvage, R104W conduit à la rétention de celui-ci dans le RE, résultant en un effet dominant négatif sur les canaux sauvages. Nous avons démontré que ce nouveau mécanisme mettait en jeu une interaction entre les sous-unités ? de Nav1.5. La mutation R1860Gfs*12 a été identifiée dans une famille présentant des arythmies auriculaires. Dans un système d'expression hétérologue, ce mutant induit à la fois une perte et un gain de fonction de Nav1.5. La modélisation informatique nous a permis de montrer que la perte de fonction était plus prononcée dans les cellules auriculaires que ventriculaires. De plus, nous avons montré que la présence de polymorphismes en amont du gène PITX2 dans cette famille pouvait expliquer la variabilité des phénotypes observés. En conclusion, l'interaction entre les sous-unités ? de Nav1.5, les propriétés électriques différentes entre oreillette et ventricule et la présence de polymorphismes chez les patients porteurs de mutations SCN5A sont des facteurs importants dans l'interprétation des effets fonctionnels de ces mutations, contribuant à la variabilité phénotypique des canalopathies Na+. / Mutations in the SCN5A gene, which encodes the α-subunit of the cardiac sodium channel Nav1.5, are implicated in different inherited cardiac arrhythmias. The incomplete penetrance observed in these diseases suggests the existence of other factors modulating the phenotype of these mutations. In this thesis work, we characterized two mutations identified in SCN5A. The R104W mutant identified in a patient with Brugada syndrome is retained in the endoplasmic reticulum (ER), degraded by the proteasome and abolishes the sodium current. Co-expressed with wild type (WT) channels, R104W leads to WT channels ER retention, causing a dominant-negative effect. We demonstrated that interaction between Nav1.5 α-subunits is responsible for the retention and the dominant-negative effect. The R1860Gfs*12 mutation was identified in a family with atrial arrhythmias. In a heterologous system, this mutant induces both loss- and gain-of-function effects on Nav1.5. Computer-model simulation showed that the loss-of-function was more pronounced in atrial than in ventricular cells. In addition, we showed that the presence of polymorphisms upstream of the PITX2 gene could explain the observed phenotypic variability in this family. In conclusion, the interaction between the α-subunits of Nav1.5, the different electrical properties between atria and ventricles and the presence of polymorphisms in patients with SCN5A mutations, are important factors in the interpretation of the functional effects of these mutations, which could explain the phenotypic variability of sodium channelopathies.

Dans les dernières décennies, l'impact dû à l'altération de la microstructure du tissu cardiaque dans la survenue de troubles arythmiques (syndrome de Brugada, fibrillation auriculaire, syndromes de repolarisation précoce…) est de plus en plus étudié. Les données expérimentales relatives au fonctionnement et aux régulations intervenant aux échelles cellulaires et subcellulaires (jonctions communiquantes, rôle de certains canaux ioniques) sont de plus en plus nombreuses, et fournissent un cadre adapté aux numériciens pour développer ou affiner des modèles et en valider les comportements. Dans cette thèse, nous proposons le développement et l'étude d'un modèle « microscopique » prenant en compte la géométrie individuelle des cellules et les jonctions communiquantes entre elles. Le modèle vise à comprendre la propagation du potentiel d'action au sein d'un réseau de cellules. Nous établissons ce modèle via une étude du comportement des ions dans les cellules. Ce comportement, décrit par diverses équations de la physique microscopique (électrostatique...), fournit un cadre à partir duquel, en effectuant quelques analyses dimensionnelles et une étude asymptotique, nous dérivons le modèle susmentionné. Puis, nous démontrons l'existence d'une solution à ce modèle à l'aide d'un processus de discrétisation en temps « semi-implicite » et de théorèmes de compacité. Nous proposons ensuite un ensemble de simulations dont l'objet est de comprendre la propagation des potentiels d'action entres cellules au sein d'un réseau, et en particulier le rôle des jonctions communiquantes. Nous étudions différents modèles de jonctions communiquantes, dont un non-linéaire et dépendant du temps. Cette thèse ouvre de nombreuses perspectives, à courte échéance des comparaisons à des observations expérimentales chez la souris, et à plus long terme de recherche sur les mécanismes de propagation à l'échelle cellulaire et leurs impact sur les troubles du rythme cardiaque. / During the last decades, studies regarding the prospective impact of the alterations at the microscopic scale of the heart tissue in the appearance of arrhythmias (Brugada's syndrome, atrial fibrillation, early repolarization syndrome...) have been more numerous. The amount of experimental data regarding the behaviors and regulations that occur at a cellular and a subcellular (gap junctions, role of specific ionic channels) is increasing and these data provide an adapted frame for the computational mathematicians to develop or improve models and confirm their behaviour. In this thesis, we developed and studied a ``microscopic'' model taking into account the individual geometry of the cells and the gap junctions between them. This model is designed to enhance our understanding of the action potential propagation in a network of cells. We extracted this model using a study of the ions movements in the cells. These movements, described by various microscopic physics equations (electrostatic...), and some dimensional analysis, including an asymptotic study, allow us to derive the model. We then show that the problem described by such a model has a solution, via a semi-implicit time discretization process and compacity arguments. Afterwards, we offer numerous simulations in order to enhance our understanding of the action potential propagation between the cells of various networks. We specifically customize the gap junction models we use (a geometric one, a linear one and a non-linear one) to enhance our comprehension. This thesis introduces many questions. On the short-term, on the comparison between experimental data observed on mice cells and our results. On the long-term regarding the mechanisms regulating the action potential propagation, and their impact on the alterations of the cardiac rhythm.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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Le traitement des arythmies cardiaques par ablation radiofréquence est une procédure thérapeutique permettant de restaurer un rythme normal par destruction thermique des tissus arythmogènes. A l'heure actuelle, l'intervention est réalisée sans imagerie temps réel permettant de visualiser la lésion pendant l'ablation. La thermométrie IRM permet de mesurer la température du tissu en chaque pixel et d'estimer directement l'étendue de la lésion via le calcul de la dose thermique cumulée. Si cette technique est déjà établie pour guider l'ablation de tumeurs dans différents organes, elle reste difficile à mettre en œuvre sur le cœur, notamment à cause des mouvements de respiration et de contraction myocardique. Dans le cadre de cette thèse, une méthode de thermométrie cardiaque a été implémentée pour réaliser une cartographie temps réel de la température du myocarde en condition de respiration libre. Plusieurs séquences IRM rapides ont été développées pour permettre l'acquisition d'environ 5 coupes par battement cardiaque avec une taille de voxel de 1.6X1.6X3 mm3. Plusieurs solutions de réduction des mouvements hors plan de coupe ont été évaluées : positionnement des coupes dans le sens principal du déplacement, suivi dynamique de la position des coupes en fonction de l'état respiratoire (navigateur, mesure de la position du cathéter). Le mouvement résiduel et les artéfacts de susceptibilité associés sont corrigés par des algorithmes temps réels pour permettre une précision de la thermométrie IRM à ±2°C sur les ventricules. Ce protocole a été utilisé avec succès pour le suivi d'ablations radiofréquences chez la brebis (N=3), permettant une corrélation (R=0.87) entre la dose thermique et la taille réelle des lésions induites. Les résultats sont très prometteurs quant à la pertinence de cette mesure pour une estimation en ligne de l'étendue de la lésion pendant l'ablation. Ces méthodes permettent d'envisager une évaluation clinique à court terme. / Radiofrequency ablation is a therapeutic procedure for the treatment of cardiac arrhythmia by inducing a local necrosis of the arrhythmogenic tissue. This intervention is currently performed without online imaging of the lesion formation during radiofrequency delivery. MR thermometry provides a monitoring of temperature in the targeted tissue in each pixel and an immediate estimation of lesion via the calculation of the thermal dose. If this technique is well established for the guidance of tumor ablation in various organs, it remains challenging in the heart due to motion (breathing and myocardial contraction). In this work, a cardiac MR thermometry method was developed to perform a real-time temperature mapping of the heart under free-breathing conditions. Several MR pulse sequences were designed to ensure the acquisition of up to 5 slices per heartbeat with a voxel size of 1.6X1.6X3 mm3. Different solutions of minimization of out-of-plane motion were evaluated: alignment of the slices in the main direction of displacement, dynamic update of slice position depending on the respiratory state (echo-navigator, measure of the catheter position). Residual in-plane motion and associated susceptibility artifacts were corrected by real-time algorithms to allow a precision of MR thermometry of ±2°C in ventricles. This protocol was successfully used for the monitoring of radiofrequency ablation in sheep (N=3), allowing a correlation (R=87) between thermal dose maps and sizes of created lesions. These results are promising regarding the relevance of this measure for an inline estimation of the lesion extent during ablation.

La contraction cardiaque nécessite un apport énergétique important, dont la source principale est l'oxydation des acides gras dans la mitochondrie. Ces acides gras pénètrent dans la mitochondrie sous la forme d'acyl-carnitine. Lors du couplage excitation-contraction, il y a une communication entre la contraction et le métabolisme assurée par les variations de potentiel et les variations calciques concomitantes. Cette communication permet d'adapter la quantité d'énergie synthétisée en fonction des besoins contractiles. Des observations cliniques et expérimentales indiquent que le métabolisme module également les mécanismes de contraction. En effet de fortes modifications de la balance énergétique observée lors de pathologie comme le syndrome métabolique ou le déficit primaire en carnitine induisent des dysfonctions contractiles et des troubles du rythme cardiaque. L'homéostasie mitochondriale semble tenir un rôle important dans cette communication, mais les mécanismes impliqués restent encore mal connus. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à comprendre les comment de fortes variations d'acyl-carnitine influencent l'apparition de troubles du rythme et participent au remodelage ventriculaire. Lors d'une approche intégrative nous avons mis en évidence le rôle central de l'adenine nucleotide transporteur (ANT) dans la genèse des troubles du rythme induit par une forte concentration en palmitoyl-carnitine. De plus des études in vivo sur des animaux déficients en carnitine, ont permis de décrire pour la première fois une relation entre une diminution de l'intervalle QT (QT court) avec un désordre métabolique. / Heart contraction requires a considerable amount of energy. Mitochondrial fatty acid oxidation is the major source of energy production in the heart. Fatty acids diffuse through the mitochondrial membrane in the acyl-carnitine form. During excitation-contraction coupling, variations of membrane potential and calcium concentration allow the communication between contraction and metabolism. This communication allows the adaption of energy production into contractile function. Clinical and experimental observations indicate that metabolism modulates contraction mechanisms. In particular, the energetic imbalance observed in metabolic syndrome or primary carnitine deficiency induces a contractile disturbance and arrhythmias. Mitochondrial homeostasis seems to be an important participant though the mechanisms involved in this phenomenon remain to be completely elucidated. In this study, we examined the influence of acylcarnitine concentration variations on cardiac rhythm and ventricular remodeling. Through an integrative approach, we have demonstrated the pivotal role of the adenine nucleotide transporter (ANT) in the apparition of high acylcarnitine concentration associated arrhythmia. Furthermore, in vivo studies with carnitine deficient mice reveal, for the first time, a relationship between the QT interval duration (short QT) and metabolic disturbance.

Une stimulation β-adrénergique (β-AR) aigue, par exemple au cours d’un exercice physique, accroît le second messager AMPc dans les cardiomyocytes aboutissant à une cascade d’évènements permettant d’augmenter la fonction cardiaque. Une élévation chronique des taux de catécholamines est délétère puisqu’elle participe au remodelage pathologique du cœur et à la progression vers l’insuffisance cardiaque (IC). L'IC correspond à l'incapacité du cœur à répondre aux besoins hémodynamiques de l'organisme. Si la majorité des patients meurt de défaillance cardiaque, une part importante décède d'arythmies.Les phosphodiestérases (PDEs) sont des enzymes essentielles puisqu’elles permettent non seulement la terminaison des signaux AMPc en dégradant ce nucléotide cyclique en 5’AMP inactif mais aussi l’organisation spatiale de ces signaux dans des compartiments subcellulaires spécifiques. L'IC s'accompagne de profonds remaniements de la voie β-AR et l'expression des PDEs est modifiée en conditions pathologiques, perturbant ainsi la compartimentation intracellulaire de l’AMPc. Il a été notamment démontré que l’expression d’une isoforme de PDE particulière, la PDE4B, diminue dans l'hypertrophie cardiaque et que l’invalidation du gène codant pour celle-ci favorise les arythmies ventriculaires chez la souris lors d’une stimulation β-AR. À l’inverse, l'expression d'une autre enzyme, la PDE2A, est augmentée dans l’IC, chez l’homme et différents modèles animaux. Ceci constituerait un mécanisme de défense lors d'un stress cardiaque puisqu’il a été montré que sa surexpression atténue l’hypertrophie induite par la noradrénaline ou la phényléphrine et limite les arythmies chez la souris.L’objectif de mon travail était de tester l’hypothèse qu’une augmentation de l’activité des PDEs pourrait constituer une alternative aux traitements classiques de l’IC, pour limiter le remodelage hypertrophique, la progression vers l’IC et les arythmies associées. Pour cela, j’ai réalisé une thérapie génique dans des modèles murins d'IC grâce à des virus adéno-associé de type 9 (AAV9) codant pour la PDE4B ou la PDE2A. Mes résultats suggèrent que cette approche pourrait constituer une nouvelle stratégie thérapeutique prometteuse de l'IC en limitant le dysfonctionnement cardiaque, l’hypertrophie du ventricule gauche, et la survenue des arythmies ventriculaires mais seulement lorsque la PDE2A est surexprimée. / Acute stimulation of β-adrenergic receptors (β-ARs), for example during physical activity, leads to the synthesis of the second messenger cAMP in cardiomyocytes, which triggers a cascade of events leading to the increase of cardiac function. While acute β-AR stimulation is beneficial to the heart, chronic β-AR activation is detrimental because it promotes cardiac remodeling and ultimately leads to heart failure (HF). HF is defined by the heart's inability to overcome hemodynamic needs of the body. While the majority of patients die of worsening heart function, a significant proportion dies suddenly of cardiac arrhythmias.Phosphodiesterases (PDEs) are crucial enzymes since they allow not only to terminate cAMP signals by degrading this second messenger into inactive 5’AMP but permit their spatial organization in subcellular compartments. HF is accompanied by profound rearrangements of the β-AR pathway and the expression of PDEs is modified under pathological conditions, thus disrupting cAMP intracellular compartmentation. The expression of one of these enzymes, PDE4B, is decreased in cardiac hypertrophy and the invalidation of the gene encoding PDE4B promotes ventricular arrhythmias under β-AR stimulation in mice. Conversely, the expression of another enzyme, PDE2A, is up-regulated in human and animal models of HF which may constitute an important defense mechanism during cardiac stress since its overexpression attenuates hypertrophy induced by norepinephrine or phenylephrine and limits cardiac arrhythmias.The purpose of my work was to test the hypothesis that an increase of PDE activity could constitute an alternative to conventional HF treatments to limit cardiac remodeling, HF progression and associated arrhythmias. To do so, I performed a cardiac gene therapy in mouse models of HF using serotype 9 adeno-associated viruses (AAV9) encoding for PDE4B or PDE2A. My results suggest that this approach may be a promising new therapeutic strategy during HF by limiting cardiac dysfunction, left ventricular hypertrophy, and could protect ventricular arrhythmias only when PDE2A is overexpressed.

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