La débitmétrie au laser à effet Doppler (LDF) constitue une méthode prometteuse et non-invasive pour l'étude du débit sanguin local dans l'œil. Cette technique est basée sur un changement de fréquence subi par la lumière lors du mouvement des globules rouges dans les vaisseaux. Une nouvelle sonde LDF a été testée pour sa sensibilité à évaluer la circulation rétinienne/choroïdienne sous des conditions hypercapniques et en présence de diverses substances vasoactives ou suivant la photocoagulation des artères rétiniennes chez le rat. Après dilatation pupillaire, la sonde LDF a été placée en contact avec la cornée de rats anesthésiés et parallèle à l'axe optique. L'hypercapnie a été provoquée par inhalation de CO2 (8% dans de l'air médical), alors que les agents pharmacologiques ont été injectés de façon intravitréenne. La contribution relative à la circulation choroïdienne a été évaluée à la suite de la photocoagulation des artères rétiniennes. Le débit sanguin s'est trouvé significativement augmenté à la suite de l'hypercanie (19%), de l'adénosine (14%) ou du nitroprusside de sodium (16%) comparativement au niveau de base, alors que l'endothéline-1 a provoqué une baisse du débit sanguin (11%). La photocoagulation des artères rétiniennes a significativement diminué le débit sanguin (33%). Des mesures en conditions pathologiques ont ensuite été obtenues après l'injection intravitréenne d'un agoniste sélectif du récepteur B1 (RB1). Ce récepteur des kinines est surexprimé dans la rétine des rats rendus diabétiques avec la streptozotocine (STZ) en réponse à l'hyperglycémie et au stress oxydatif. Les résultats ont montré que le RB1 est surexprimé dans la rétine chez les rats diabétiques-STZ à 4 jours et 6 semaines. À ces moments, le débit sanguin rétinien/choroïdien a été significativement augmenté (15 et 18 %) après l'injection de l'agoniste, suggérant un effet vasodilatateur des RB1 dans l'œil diabétique. Bien que la circulation choroïdienne contribue probablement au signal LDF, les résultats démontrent que le LDF représente une technique efficace et non-invasive pour l'étude de la microcirculation rétinienne in-vivo en continu. Cette méthode peut donc être utilisée pour évaluer de façon répétée les réponses du débit sanguin pendant des modifications métaboliques ou pharmacologiques dans des modèles animaux de maladies oculaires. / Laser Doppler Flowmetry (LDF) is a promising, non-invasive technique to assess local ocular blood flow. This technique is based on a Doppler frequency shift of the backscattered light due to the movement of the red blood cells in the vessels. A new LDF probe was tested for its sensitivity to assess the retinal/choroidal blood flow variations in response to hypercapnia, diverse vasoactive agents and following retinal arteries photocoagulation in the rat. After pupil dilation, a LDF probe was placed in contact to the cornea of anesthetised rats in the optic axis. Hypercapnia was induced by inhalation of CO2 (8% in medical air) while pharmacological agents were injected intravitreously. The relative contribution of the choroidal circulation to the LDF signal was determined after retinal artery occlusion by photocoagulation. Blood flow was significantly increased by hypercapnia (19%), adenosine (14%) and sodium nitroprusside (16%) as compared to baseline values while endothelin-1 decreased blood flow (11%). Photocoagulation of retinal arteries significantly decreased blood flow level (33%). Measurements in pathological conditions were then obtained after intravitreal injections of a B1R agonist. This kinin receptor is overexpressed in the retina of streptozotocin (STZ) diabetic rats in response to hyperglycaemia and oxidative stress. Data showed that B1R was upregulated in the STZ-diabetic retina at 4 days and 6 weeks. At these time points, retinal/choroidal blood flow was significantly increased (15 and 18 %) upon injection of the agonist, suggesting a vasodilatory effect of B1R in the diabetic eye. Although choroidal circulation most likely contributes to the LDF signal in this setting, the results demonstrate that LDF represents a suitable in vivo non-invasive technique to monitor online relative changes of retinal microcirculation. This technique could be used for repeatedly assessing blood flow reactivity to metabolic or pharmacologic challenges in rodent models of ocular diseases.

Le processus de l’athérosclérose est associé à des changements vasculaires structuraux et mécaniques dont la rigidification carotidienne et aortique. Ce phénomème est bien connu et contraste avec l’augmentation paradoxale de la distensibilité cérébrovasculaire observée dans les artères cérébrales exposées aux facteurs de risque cardiovasculaire, tels que l’hypertension. L’impact de l’athérosclérose sur le remodelage, la compliance et la fonction des artères cérébrales est inconnu. En ciblant l’endothélium, l’athérosclérose induit une dysfonction endothéliale cérébrale sévère qui interfère avec le contrôle du débit sanguin cérébral et ultimement avec les fonctions cognitives. Dans les artères cérébrales, le remodelage de la paroi artérielle est toujours accompagné d’une perte des fonctions vasodilatatrices, ce qui suggère que ces deux évènements sont au cœur d’un cercle vicieux. Nos études visent à vérifier l’hypothèse selon laquelle le remodelage de la paroi est déterminé par la fonction endothéliale au niveau cérébrovasculaire alors qu’au niveau de la carotide, le stress mécanique du pouls sanguin régule les propriétés structurales et biomécaniques. Afin de vérifier cette hypothèse, dans une première étude, nous avons sélectionné trois interventions thérapeutiques aux mécanismes d’action différents qui modulent la fonction endothéliale indirectement en diminuant le stress mécanique exercé sur la paroi via une diminution de la fréquence cardiaque. Suite à un traitement chronique de trois mois chez la souris athérosclérotique, LDLr-/-; hApoB-100+/+, l’efficacité de l’ivabradine, du métoprolol et de l’exercice physique volontaire dans la prévention de l’augmentation de la compliance cérébrovasculaire s’est avérée proportionnelle à l’étendue des bénéfices sur la fonction endothéliale. La rigidification carotidienne n’a été prévenue que par les interventions qui réduisent vraiment la fréquence cardiaque, c’est-à-dire l’ivabradine et le métoprolol. Dans une deuxième étude, nous avons confirmé nos résultats en utilisant un traitement antioxydant dans le but de cibler plus directement l’endothélium. La catéchine ne réduit pas la fréquence cardiaque, mais elle est reconnue pour protéger l’endothélium cérébral en neutralisant le stress oxydant. Ainsi, la carotide est restée rigide alors que le remodelage cérébral a été prévenu. Une technique d’imagerie novatrice, la tomographie par cohérence optique, nous a permis de valider nos observations in vivo et de proposer que la catéchine prévient l’hypoperfusion du cerveau en protégeant la fonction endothéliale et l’intégrité de la paroi vasculaire cérébrale. Finalement, les deux études identifient la métalloprotéinase de type 9 comme un joueur potentiellement impliqué dans l’augmentation de la compliance cérébrovasculaire. Nos études démontrent que les changements structuraux et biomécaniques affectant la paroi des artères cérébrales sont indubitablement dépendants de l’endothélium alors que dans la carotide, le stress mécanique est le paramètre le plus déterminant. Somme toute, en protégeant indirectement l’endothélium cérébral on empêche les processus de remodelage, telle que l’activation de la métalloprotéinase de type 9. De nombreuses études ont suggéré l’implication des dysfonctions cérébrovasculaires dans la maladie d’Alzheimer. En effet, les affections vasculaires qui compromettent chroniquement le débit sanguin cérébral, telles la dysfonction endothéliale et la réduction de la lumière artérielle, vont entraîner un déficit métabolique des neurones à l’origine de la neurodégénérescence. Les traitements préventifs cardioprotecteurs, tels que l’ivabradine, l’exercice physique et la catéchine améliorent la fonction endothéliale, la structure et la biomécanique des artères cérébrales, et pourraient donc prévenir l’hypoperfusion chronique du cerveau et le déclin cognitif dans l’athérosclérose. / Large artery stiffness and endothelial dysfunction are markers of atherosclerosis. Stiffening of the carotid arteries contrast with the paradoxical increase in distensibility of cerebral arteries that was reported in the presence of risk factors for cardiovascular diseases, such as hypertension. However, our knowledge concerning the influence of atherosclerosis on cerebrovascular compliance and structure remains incomplete. By targeting the endothelium, atherosclerosis induces a severe cerebral endothelial dysfunction affecting chronically the cerebral blood flow and potentially leading to cognitive dysfunctions. Few studies have shown that the paradoxical increase in cerebrovascular distensibility is consistently reported in animal model of risk factors for cardiovascular diseases exhibiting a cerebral endothelial dysfunction. That being said, we hypothesized that the compliance and structure of cerebral arteries is essentially controlled by the endothelium. To validate our hypothesis, in a first study, we selected three distinct therapeutic approaches that modulated the cerebral endothelial function and the mechanical stress imposed to the vascular wall by lowering heart rate in a mouse model of atherosclerosis, LDLr-/-; hApoB-100+/+ during three months. Ivabradine, metroprolol and voluntary physical training protected, with different efficiencies, the cerebral flow-mediated dilation and this was reflected by a prevention, or not, of the increase in compliance. A 13.5 % heart rate reduction with ivabradine and metoprolol limited carotid artery stiffening. Voluntary physical training did not induce an overall reduction of heart rate explaining the lack of effect on carotid mechanics and suggesting that carotids compliance is more influenced by the mechanical stress imposed to the vascular wall by the cardiac cycle. In a second study, we confirmed our previous findings using a diatery approach that targeted more directly the endothelium, the polyphenol antioxidant catechin. Catechin was previously proven, by us and others, to reverse endothelial dysfunction, reduce inflammation and neutralize reactive oxygen species in diverse vascular beds from animal models of atherosclerosis. Accordingly, we found that catechin prevents adverse cerebral wall remodeling but, again, without a significant heart rate reduction, carotids remained stiff. We also integrated a new live imaging technology allowing us to confirm our findings in vivo and to demonstrate that endothelial, structural and mechanical protection by catechin can result in an improvement of basal cerebral blood flow. Finally, both studies identified metalloproteinase -9 as a potential player in the process leading the weakening of the cerebral artery walls. Taken together, our studies highlight that structural and biomechanical alterations are genuinely triggered by endothelial dysfunction. In carotids, mechanicals stress seems to be the main factor controlling remodeling. In essence, indirect protection of the endothelium impedes in cerebral vessels the remodeling processes, such as the activation of metalloproteinase -9. Numerous studies have revealed that vascular, especially cerebral endothelial dysfunction is implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. When brain perfusion is compromised, the suboptimal energy delivery causes neuronal death. Deleterious cerebrovascular outcomes that promote the impairment of vasodilation and the encroachment of the lumen will limit cerebral blood flow in a chronic manner. Chronic treatment with ivabradine, voluntary physical training and catechin preserved the endothelial function, the structure and the mechanics of cerebral arteries, which guarantees a closer management of cerebral blow flow in atherosclerotic mice and a reduce propensity to develop cognitive deficiency. / Thèse réalisée en cotutelle avec Dre Christine Des Rosiers

Blood oxygen level-dependent (BOLD) magnetic resonance (MR) imaging enables non-invasive spatial mapping of changes in cerebral blood flow (CBF). By applying a vasodilatory stimulus (such as inhaled CO2) during BOLD MR imaging, one can measure cerebral vasodilatory capacity. "Cerebrovascular reactivity" (CVR) is defined as the change in CBF per unit of vasodilatory stimulus. Vasodilatory capacity is clinically important as vasodilatation is a mechanism by which the brain maintains constant CBF despite reductions in cerebral perfusion pressure.ii Patients with arterial narrowing commonly demonstrate a paradoxical response: vasodilatory stimulus-induced reduction of BOLD MR signal. BOLD MR depends on CBF but on other factors too. Does a reduction of BOLD MR signal indicate a decrease in flow? Does BOLD MR CVR correlate with CVR measured using arterial spin labeling (ASL) MR? I studied thirty-eight patients with stenosis of brain-supplying arteries and found that the BOLD CVR and ASL CVR results correlate strongly (R=0.83, P<0.0001 for cerebral hemispheric gray matter). The second study aimed to determine whether preoperative CVR predicts the hemodynamic effect of extracranial-intracranial bypass surgery. Whereas prior studies relied on right-left interhemispheric CVR asymmetry indices, this study used “absolute” CVR from each hemisphere. I studied twenty-five patients with intracranial arterial stenosis. I found that the group with normal pre-operative CVR showed no change in CVR following bypass surgery (0.22% ± 0.05% to 0.22% ± 0.01% (mean ± SD)(P=0.881)), the group with reduced pre-operative CVR demonstrated an improvement (0.08% ± 0.05% to 0.21 ± 0.08% (mean ± SD)(P<0.001)), and the group with paradoxical pre-operative CVR demonstrated the greatest improvement (-0.04% ± 0.03% to 0.27% ± 0.03% (P=0.028)). ii Patients with arterial narrowing commonly demonstrate a paradoxical response: vasodilatory stimulus-induced reduction of BOLD MR signal. BOLD MR depends on CBF but on other factors too. Does a reduction of BOLD MR signal indicate a decrease in flow? Does BOLD MR CVR correlate with CVR measured using arterial spin labeling (ASL) MR? I studied thirty-eight patients with stenosis of brain-supplying arteries and found that the BOLD CVR and ASL CVR results correlate strongly (R=0.83, P<0.0001 for cerebral hemispheric gray matter). The second study aimed to determine whether preoperative CVR predicts the hemodynamic effect of extracranial-intracranial bypass surgery. Whereas prior studies relied on right-left interhemispheric CVR asymmetry indices, this study used “absolute” CVR from each hemisphere. I studied twenty-five patients with intracranial arterial stenosis. I found that the group with normal pre-operative CVR showed no change in CVR following bypass surgery (0.22% ± 0.05% to 0.22% ± 0.01% (mean ± SD)(P=0.881)), the group with reduced pre-operative CVR demonstrated an improvement (0.08% ± 0.05% to 0.21 ± 0.08% (mean ± SD)(P<0.001)), and the group with paradoxical pre-operative CVR demonstrated the greatest improvement (-0.04% ± 0.03% to 0.27% ± 0.03% (P=0.028)). The third study arose from an unexpected observation: paradoxical reactivity in the white matter of young healthy subjects. I evaluated healthy subjects using BOLD CVR and ASL CVR, transformed all CVR maps into a common brain space, and generated composite maps of CVR. Composite maps confirmed regions of significant paradoxical iii reactivity in the white matter. These regions may represent the physiological correlate of previously anatomically defined border-zones (watershed zones). The regions match the locations where elderly patients develop white matter rarefaction, so-called leukoaraiosis.

Blood oxygen level-dependent (BOLD) magnetic resonance (MR) imaging enables non-invasive spatial mapping of changes in cerebral blood flow (CBF). By applying a vasodilatory stimulus (such as inhaled CO2) during BOLD MR imaging, one can measure cerebral vasodilatory capacity. "Cerebrovascular reactivity" (CVR) is defined as the change in CBF per unit of vasodilatory stimulus. Vasodilatory capacity is clinically important as vasodilatation is a mechanism by which the brain maintains constant CBF despite reductions in cerebral perfusion pressure.ii Patients with arterial narrowing commonly demonstrate a paradoxical response: vasodilatory stimulus-induced reduction of BOLD MR signal. BOLD MR depends on CBF but on other factors too. Does a reduction of BOLD MR signal indicate a decrease in flow? Does BOLD MR CVR correlate with CVR measured using arterial spin labeling (ASL) MR? I studied thirty-eight patients with stenosis of brain-supplying arteries and found that the BOLD CVR and ASL CVR results correlate strongly (R=0.83, P<0.0001 for cerebral hemispheric gray matter). The second study aimed to determine whether preoperative CVR predicts the hemodynamic effect of extracranial-intracranial bypass surgery. Whereas prior studies relied on right-left interhemispheric CVR asymmetry indices, this study used “absolute” CVR from each hemisphere. I studied twenty-five patients with intracranial arterial stenosis. I found that the group with normal pre-operative CVR showed no change in CVR following bypass surgery (0.22% ± 0.05% to 0.22% ± 0.01% (mean ± SD)(P=0.881)), the group with reduced pre-operative CVR demonstrated an improvement (0.08% ± 0.05% to 0.21 ± 0.08% (mean ± SD)(P<0.001)), and the group with paradoxical pre-operative CVR demonstrated the greatest improvement (-0.04% ± 0.03% to 0.27% ± 0.03% (P=0.028)). ii Patients with arterial narrowing commonly demonstrate a paradoxical response: vasodilatory stimulus-induced reduction of BOLD MR signal. BOLD MR depends on CBF but on other factors too. Does a reduction of BOLD MR signal indicate a decrease in flow? Does BOLD MR CVR correlate with CVR measured using arterial spin labeling (ASL) MR? I studied thirty-eight patients with stenosis of brain-supplying arteries and found that the BOLD CVR and ASL CVR results correlate strongly (R=0.83, P<0.0001 for cerebral hemispheric gray matter). The second study aimed to determine whether preoperative CVR predicts the hemodynamic effect of extracranial-intracranial bypass surgery. Whereas prior studies relied on right-left interhemispheric CVR asymmetry indices, this study used “absolute” CVR from each hemisphere. I studied twenty-five patients with intracranial arterial stenosis. I found that the group with normal pre-operative CVR showed no change in CVR following bypass surgery (0.22% ± 0.05% to 0.22% ± 0.01% (mean ± SD)(P=0.881)), the group with reduced pre-operative CVR demonstrated an improvement (0.08% ± 0.05% to 0.21 ± 0.08% (mean ± SD)(P<0.001)), and the group with paradoxical pre-operative CVR demonstrated the greatest improvement (-0.04% ± 0.03% to 0.27% ± 0.03% (P=0.028)). The third study arose from an unexpected observation: paradoxical reactivity in the white matter of young healthy subjects. I evaluated healthy subjects using BOLD CVR and ASL CVR, transformed all CVR maps into a common brain space, and generated composite maps of CVR. Composite maps confirmed regions of significant paradoxical iii reactivity in the white matter. These regions may represent the physiological correlate of previously anatomically defined border-zones (watershed zones). The regions match the locations where elderly patients develop white matter rarefaction, so-called leukoaraiosis.

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive. / Functional MRI (fMRI) studies using the BOLD signal are done under the general assumption that the BOLD signal can be used as a direct index of neuronal activation. Studies of cognitive aging often compare BOLD signal amplitude and extent directly between younger and older groups, with the additional assumption that the relationship between neuronal activity and the hemodynamic response is unchanged across the lifespan. However, BOLD signal arises from an ambiguous mixture of changes in oxidative metabolism, blood flow and blood volume. Furthermore, previous studies have shown that several BOLD signal components may be changed during aging. More physiologically-specific information on blood flow and oxidative metabolism would allow a better understanding of these signal changes and of the physiological and cognitive changes seen with aging. The work presented here demonstrates techniques to estimate oxidative metabolism at rest and during performance of a task. These techniques are extensions of previous calibrated fMRI methods and the first method presented is based on a generalization of previous models to take into account both arbitrary changes in blood flow and blood O2 content. The improved robustness and accuracy of this method, when used with a combined hypercapnia and hyperoxia breathing manipulation, is demonstrated in visual cortex and grey matter. The second technique presented builds on the generalization of the model and uses a combination of breathing manipulations including hypercapnia, hyperoxia and both simultaneously, to obtain experimentally-determined values of resting oxygen extraction fraction and oxidative metabolism. In the second part of this thesis, age-related vascular and metabolic changes are explored in a group of younger and older adults using a calibrated fMRI framework with a hypercapnia breathing manipulation and a modified Stroop task. Changes in baseline blood flow, vascular reactivity to the CO2 challenge and calibration parameter M were identified in the older participants. Potential biases in BOLD signal measurements in older adults arising from these physiological changes are discussed. Finally, the relationship between these cerebral changes and performance on the modified Stroop task, central vascular health and cardiovascular fitness are explored. The results of this thesis support the hypothesis that greater cardiovascular fitness is associated with improvements in central vascular function, contributing in turn to improved brain vascular health and cognition.

La rétinopathie diabétique est associée à plusieurs changements pathologiques du lit vasculaire rétinien, incluant l’ouverture de la barrière hémato-rétinienne, l’inflammation vasculaire et la modification du débit sanguin. Récemment, il a été proposé que le récepteur B1 des kinines, qui est surexprimé dans la rétine diabétique, puisse être impliqué dans le développement de ces altérations vasculaires. Ainsi, cette thèse présente les effets de traitements pharmacologiques avec des antagonistes du récepteur B1 sur la perfusion rétinienne, la perméabilité vasculaire, l’infiltration des leucocytes (leucostasie), l’expression de médiateurs de l’inflammation et la production d’anion superoxyde dans la rétine du rat rendu diabétique avec la streptozotocine (STZ). Les résultats obtenus montrent que l’application oculaire (10 µl d’une solution à 1%, deux fois par jour pendant 7 jours) de LF22-0542, un antagoniste hydrosoluble du récepteur B1, bloque significativement l’hyperperméabilité vasculaire, la leucostasie, le stress oxydatif et l’expression génique de médiateurs de l’inflammation (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β et HIF-1α) dans la rétine chez le rat à 2 semaines de diabète. L’administration orale (3 mg/kg) d’un antagoniste non-peptidique et sélectif pour le récepteur B1, le SSR240612, entraîne une diminution du débit sanguin rétinien 4 jours après l’induction du diabète mais n’a aucun effet sur la réduction de la perfusion rétinienne à 6 semaines. Le récepteur B1 joue donc un rôle protecteur au tout début du diabète en assurant le maintien d’un débit sanguin normal dans la rétine; un effet qui n’est toutefois pas maintenu pendant la progression du diabète. Ces données présentent ainsi la dualité du récepteur B1 avec des effets à la fois protecteurs et délétères. Elles suggèrent aussi un rôle important pour le récepteur B1 dans l’inflammation rétinienne et le développement des altérations vasculaires. Le récepteur B1 pourrait donc représenter une nouvelle cible thérapeutique pour le traitement de la rétinopathie diabétique. / Diabetic retinopathy is associated with retinal vascular changes, including blood retinal barrier breakdown, vascular inflammation and blood flow alterations. It has been proposed that kinin B1 receptor, which is upregulated in the diabetic retina, could be involved in the development of these pathological features of diabetic retinopathy. In a rat model of diabetes induced by Streptozotocin (STZ), the effects of kinin B1 receptor antagonists on retinal perfusion, vascular permeability, leukostasis, gene expression of inflammatory mediators and production of superoxide anion in the retina were evaluated. The results show that in 2-week diabetic rats, topical ocular application of the water soluble kinin B1 receptor antagonist LF22-0542 (10 µl of 1% solution, twice per day) for a 7-day period reverses vascular hyperpermeability, leukostasis, oxidative stress and gene expression of inflammatory mediators (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β and HIF-1α) in the retina. Single oral administration (3 mg/kg) of SSR240612, a selective non-peptide B1 receptor antagonist, induces a decrease of retinal blood flow in 4-day diabetic rats but has no effect on retinal blood flow reduction present at 6 weeks of diabetes. Therefore, B1 receptor has a protective role in early diabetes by preserving a normal blood flow in the retina. These data suggest that B1 receptor exerts protective and adverse effects in the diabetic retina. They also support a key role for B1 receptor in retinal inflammation and the development of vascular alterations. B1 receptor could therefore represent a promising therapeutic target for the treatment of diabetic retinopathy.

Laparoscopic operations are a common and popular way for abdominal procedures. They are usually performed by insufflation of carbon dioxide (CO2) into the abdominal cavity. However, insufflation of CO2 may interfere with cardiac and circulatory as well as respiratory functions. The CO2-pneumoperitoneum (PP) may cause hypercarbia and acidosis. The direct effects of CO2 and acidosis lead to decreased cardiac contractility, sensitization of the myocardium to arrhythmogenic effects of catecholamines and systemic vasodilatation. There may even be long-lasting post-operative effects on breathing control. The pneumoperitoneum may also cause several respiratory changes, e.g. decreased functional residual capacity (FRC) and vital capacity (VC), formation of atelectasis, reduced respiratory compliance and increased airway pressure. Still, arterial oxygenation is mostly maintained or even improved during PP. In view of the apparently contradictory results in respiratory mechanics and gas exchange, the present studies were performed to evaluate respiratory changes on gas exchange and ventilation-perfusion distributions during PP in a porcine model. It was demonstrated that atelectasis during anaesthesia and PP may be estimated by an increased arterial to endtidal PCO2-gradient (study I). Perfusion was redistributed away from dorsal, collapsed lung regions when PP was established. This resulted in a better ventilation-perfusion match (study II). Increasing abdominal pressure shifted blood flow more and more away from collapsed lung tissue, decreased pulmonary shunt and improved oxygenation from 8 to 16 mmHg PP, despite an increase of atelectasis formation (study III). CO2-PP enhanced the shift of blood flow towards better ventilated parts of the lung compared to Air-PP. Moreover, sodium natriumprusside worsened the ventilation-perfusion match even more and blunted the effects previously seen with carbon dioxide. CO2 should therefore be the mediator of enhancing HPV during PP. In conclusion, pneumoperitoneum with CO2 causes atelectasis with elimination of ventilation in the dependent lung regions. However, an efficient shift of blood flow away from collapsed, non-ventilated regions results in a better ventilation-perfusion matching and better oxygenation of blood than without PP. A prerequisite for the beneficial effect is the use of carbon dioxide for the abdominal inflation, since it enhances HPV.

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Made available in DSpace on 2015-07-22T20:49:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-10-28 / Ha evidencias de que o fluxo microvascular de oxigenio (QO2mv) limita a taxa de aumento da captacao de oxigenio ( O2) no inicio do exercicio intenso em pacientes com doenca pulmonar obstrutiva cronica (DPOC). Entretanto, ainda nao esta claro se a suplementacao de O2 poderia acelerar a cinetica do O2 atraves da melhora do QO2mv em pacientes nao-hipoxemicos ou levemente hipoxemicos. Assim, o objetivo do estudo foi investigar se a suplementacao aguda de O2 (HiOX=50%O2) poderia alterar a dinamica entre oferta e O2 microvascular na transicao do exercicio leve para o intenso, alem de avaliar se os possiveis efeitos da HiOX na oxigenacao tecidual tissular teriam efeito modulador na cinetica da utilizacao muscular de O2. Para tal, foram avaliados 19 pacientes do sexo masculino, nao-hipoxemicos ou levemente hipoxemicos (PaO2>60mmHg) portadores de DPOC de gravidade moderada a acentuada (VEF1/CVF < 0,7 e VEF1 entre 30 e 60% do previsto) e estaveis clinicamente, durante exercicio submaximo de alta intensidade (80% da maxima atingida no exercicio incremental em cicloergometro). Neste contexto, foram investigados os efeitos da HiOX em comparacao com normoxia (NOX = 21% O2) na cinetica do O2 mensurado em nivel pulmonar (p) e da extracao fracional de O2 (HHb mensurada pela espectroscopia por raios quase infravermelhos - NIRS) no vasto lateral. A HiOX esteve associada com aumento na tolerancia ao exercicio (p<0,05) alem de reducao da concentracao de lactato, sensacao de dispneia e desconforto muscular corrigidos para o tempo de duracao do exercicio (Tlim) (N=19). Nos 11 individuos com sinais adequados para estudo da cinetica, a extracao fracional de O2 estimada acelerou-se (DHHb: t= 4.8 } 2.4 s vs. 6.7 } 3.0 s; P<0.05) e um subsequente fenomeno de govershoot h foi observado em 7/11 pacientes, sugerindo prejuizo no QO2mv. Entretanto, durante o periodo estado-estavel, houve reducao dos valores de HHb em 9/11 pacientes sugerindo melhora do QO2mv. Como consequencia desse efeito dual da HiOX no QO2mv (i.e, reducao seguida de melhora), a cinetica do O2p foi acelerada em 6 pacientes mas lentificada em outros 5 pacientes. De forma interessante, observamos que pacientes que apresentaram aceleracao da cinetica do O2p com HiOX tambem apresentaram maiores reducoes dos valores de DHHb no estado-estavel comparados aos demais pacientes (HiOX . NOX= -23.4 (-55.5 to -5.8) ƒÊM/cm vs. -0.62 (-22.6 to 10.7) ƒÊM/cm; p<0.05). Adicionalmente, houve correlacao significativa entre reducao dos valores de DHHb no estado-estavel e aceleracao na cinética do O2 com HiOX (R= 0.61; p<0.05). Em conclusão, HiOX melhorou a tolerância ao exercício físico, além de ter resultado em redução significativa da dispnéia, percepção de fadiga periférica e lactato corrigidos pelo tempo de exercício em pacientes com DPOC não-hipoxêmicos ou levemente hipoxêmicos. Entretanto, nosso resultados indicam que houve prejuízo transitório no QO2mv no início do exercício, que foi compensado por melhora subseqüente, justificando assim os efeitos heterogêneos do O2 na cinética do O2p. Portanto, as consequências da HiOX na taxa de aumento do metabolismo oxidativo no início do exercício intenso nessa sub-população de pacientes parece depender de um complexo balanço entre os efeitos negativos iniciais no fluxo sanguíneo microvascular e as posteriores conseqüências positivas nos determinantes difusivos e/ou convectivos do transporte capilar-muscular de O2. / There is convincing evidence that impaired microvascular O2 delivery (Q LO2mv) to the peripheral muscles limits the rate of increase in pulmonary O2 uptake ( O2p) at the onset of supra-gas exchange threshold exercise in patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). It is currently unclear, however, whether O2 supplementation could actually improve Q LO2mv thereby accelerating O2p kinetics in patients who are not overtly hypoxemic (PaO2 > 60 mmHg). We therefore investigated the effects of hyperoxia (HiOX= 50% O2) and normoxia (NOX) on the kinetics of O2p and fractional O2 extraction in the vastus lateralis ( [deoxy- Hb+Mb] by near-infrared spectroscopy) in 11 non- or mildly-hypoxemic patients. HiOX increased exercise tolerance compared to NOX (P<0.05). At the on-exercise transient, however, HiOX was associated with faster [deoxy-Hb+Mb] kinetics (= 4.8 } 2.4 s vs. 6.7 } 3.0 s; P<0.05) and a response govershoot h in 7/11 patients suggesting impaired Q LO2mv. Subsequently, however, [deoxy-Hb+Mb] decreased to lower steady-state values compared to NOX in 9/11 patients (P<0.05). As a likely consequence of these opposite effects of HiOX on Q LO2mv (i.e., early impairment followed by later improvement), O2p kinetics were accelerated in 6 but slowed in 5 patients. Interestingly, patients in whom HiOX accelerated O2p kinetics showed consistently-larger reductions in gsteady-state h ..[deoxy-Hb+Mb] compared to their counterparts (HiOX . NOX= -23.4 (-55.5 to -5.8) ƒÊM/cm vs. -0.62 (-22.6 to 10.7) ƒÊM/cm; p<0.05). In conclusion, HiOX can transitorily impair the convective flow of O2 to the working peripheral muscles at the onset of heavy intensity exercise in patients with COPD who are not overtly hypoxemic. This effect, however, might be (over)compensated by a subsequent increase in local O2 availability in selected patients. These data seem to provide a mechanistic explanation for the heterogeneous effects of HiOX on O2p kinetics in this patient sub-population. / TEDE / BV UNIFESP: Teses e dissertações

L'encéphalopathie associée au sepsis (EAS) est définie comme un dysfonctionnement cérébral diffus induit par une réponse systémique à une infection. Chez les patients septiques, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a indiqué à la fois des anomalies de la substance grise (SG) et blanche (SB) associées à des troubles cognitifs graves, y compris le delirium. Pour améliorer notre compréhension des changements hémodynamiques, métaboliques et structuraux associés au sepsis, différentes séquences d'IRM ont été réalisées chez des rats ayant subi une injection ip de solution saline ou de lipopolysaccharide bactérien (LPS) 2,5h plus tôt ou une ligature et ponction caecale 24h plus tôt. Après ip LPS, l'IRM de contraste de phase a été réalisée pour étudier le flux des artères cérébrales antérieures et moyennes et le marquage des spins artériels (ASL) pour étudier la perfusion des structures cérébrales de la SB et SG. Des séquences d'imagerie par diffusion pondérée (DWI) ont été utilisées pour évaluer les changements structurels. Après la chirurgie CLP, ASL a été utilisé pour étudier les changements de la microcirculation. L'imagerie pondérée en T2, l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et les statistiques spatiales basées sur les faisceaux (TBSS) ont été réalisées pour caractériser les événements structurels dans différentes structures cérébrales. Après imagerie, les animaux ont été sacrifiés et leur cerveau a été traité pour l'histologie afin de détecter l'enzyme synthétisant les prostaglandines vasoactives cyclooxygénase-2 (COX-2) et le canal hydrique astrocytaire aquaporin-4 (AQP4) dont l'expression peut être régulée à la hausse, évaluer la présence d'immunoglobulines périvasculaires (Ig) indiquant une rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et étudier la morphologie des glies puisque la microglie et l’astroglie changent de morphologie lors des conditions inflammatoires. L'IRM n'a indiqué aucun changement hémodynamique dans la substance grise après l'administration de ip LPS, alors qu'une perfusion cérébrale accrue a été montrée au niveau du corps calleux comme indiqué par l'ASL. DTI a indiqué une augmentation de la diffusion des molécules d’eau parallèlement aux fibres du corps calleux. Ces changements étaient accompagnés d'une dégradation de BHE dans la SB ainsi que la substance grise corticale et striatale adjacente tel est indiqué par la présence périvasculaire d'IgG, sans aucun changement majeur de COX-2 vasculaire ou de morphologie des glies du coprs calleux. Le dysfonctionnement du SNC induit par le sepsis a résulté en une augmentation du contraste pondéré en T2 dans le cortex, le striatum et la base du cerveau, une diminution de la perfusion sanguine dans le cortex et une augmentation de la diffusion hydrique du corps calleux et du striatum ventral. Ces changements ont été associés dans la SB à des modifications de la morphologie des glies et dans la substance grise à une expression constitutive de COX-2 et AQP4 plus faible dans le cortex cérébral. La comparaison entre CLP ayant subit ou non une IRM sous anesthésie à l'isoflurane a montré une réponse inflammatoire réduite tel est indiqué par l'expression de COX- 2, une activation réduite des glies ainsi qu’une lésion réduite de la BHE dans le CLP subissant une IRM sous anesthésie. Collectivement, nos résultats suggèrent que des changements hémodynamiques peuvent survenir en l'absence de flux altéré dans les artères irriguant le cerveau antérieur. Ensuite, l'altération de la structure de la SB est une étape précoce de la pathogenèse de l’EAS qui peut résulter soit de la dégradation de la BHE, soit de l'activation des glies. Cette étude sous-tend l'effet délétère d'une seule exposition à l'anesthésie à l'isoflurane qui peut être atténuée par une seconde exposition chez les rats ayant subi une laparotomie ainsi que les effets de l'inflammation systémique induite par le CLP sur les glies pouvant être atténués par imagerie sous anesthésie à l'isoflurane. / Sepsis-associated encephalopathy (SAE) refers to central nervous system dysfunction during the systemic inflammatory response to infection. In septic patients with encephalopathy MRI has indicated both gray and white matter abnormalities that were associated with worse cognitive outcome including delirium. To improve our understanding of sepsis-associated hemodynamic, metabolic, and structural changes, different MRI sequences were performed in rats that either underwent an i.p injection of saline or bacterial lipopolysaccharide (LPS) 2.5h earlier or cecal ligation and puncture (CLP) 24h earlier. After ip LPS, phase contrast MRI was performed to study anterior and middle cerebral arteries flow and Arterial Spin Labeling (ASL) to study perfusion of white and grey matter brain structures. Diffusion Weighted Imaging (DWI) sequences was used to assess structural changes. After CLP surgery, ASL was used to study microcirculation changes. T2-Weighted Imaging, Diffusion Tensor Imaging (DTI) and tract-based spatial statistics (TBSS) were performed to characterize structural events in different brain structures. After imaging, animals were sacrificed and their brains processed for histology to detect the vasoactive prostaglandin-synthesizing enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) and the astrocytic aquaporin-4 water channel (AQP4) the expression of which can be upregulated during inflammation, to assess the presence of perivascular immunoglobulins (Ig) indicating blood-brain barrier (BBB) leakage and to study glia cell morphology as both microglia and astrocytes are known to change their morphology in inflammatory conditions. Magnetic resonance rat brain imaging indicated no hemodynamic changes in the grey matter after ip LPS administration while an increased CBF was shown in corpus callosum white matter as indicated by ASL. DTI indicated increased water diffusion parallel to fibers of the corpus callosum white matter. These changes were accompanied by BBB breakdown in the white matter and adjacent cortical and striatal grey matter as indicated by the perivascular presence of IgG, but no major changes in vascular COX-2 or white matter glia cell morphology. CLP induced sepsis-associated CNS dysfunction resulted in higher T2-weighted contrast intensities in the cortex, striatum and base of the brain, decreased blood perfusion distribution to the cortex and increased water diffusion in the corpus callosum and ventral striatum compared to sham surgery. These changes were associated in the white matter with modifications in glia cells morphology and in the grey matter with lower expression of constitutive COX-2 expression and AQP4 in the cerebral cortex. The comparison between CLP that underwent or not MRI under isoflurane anesthesia indicated reduced inflammatory response as indicated by COX-2 expression, reduced glia activation and reduced BBB damage in CLP that underwent MRI under isoflurane anesthesia. Collectively, our results suggest that hemodynamic changes may occur in the absence of altered flow in forebrain irrigating arteries. Then, altered white matter structure is an early step in SAE pathogenesis that may result either from BBB breakdown or glial cells activation. This study underlies the deleterious effects of a single exposure to isoflurane anesthesia that may be mitigated by a second exposure in sham-operated rats and the effects of CLP-induced systemic inflammation on glial cells that can be attenuated by imaging under isoflurane anesthesia.