Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / In this study, a novel model for manipulating cancer blood cells based on multi-stage micro channels under varied low field concepts is proposed. Steering Device approach was followed to manipulate the cancer cells based on their various differential potentials across their membranes. The proposed approach considers the size and the surface potential as well as the iso electronic structure of the cells. These research objectives emphasize the separation of the cells in the blood stream, and differentiates various blood cells and tumors for further analysis within the microfluidic channels. The dimensions of the channel sets the required electric field for manipulating the cancer cells within the channels using low electrode voltage function. The outcomes of this research may introduce a new diagnostic approach of finding the minimum residual disease (MRD) scans, early detection and analysis scans. This thesis provides a mathematical model, detailing the theory of the cell sorting device, manipulating the blood cancer cells and design of the device structure are also detailed, leading to the optimum research parameters and process. A Computer Aided Design (CAD) was used to model the multi-cell sorting lab-on-chip device, details of hardware and software were used in the simulation of the device various stages. Reverse engineering to configure the potentials for sorting mechanism needs is discussed. The thesis work also presents a comparative study of this sorting mechanism and the other commercially available devices. The practical model of the proposed research is laid out for future consideration.

The cardiovascular system of bilaterians developed from a common ancestor. However, no endothelial cells exist in invertebrates demonstrating that primitive cardiovascular tubes do not require this vertebrate-specific cell type in order to form. This raises the question of how cardiovascular tubes form in invertebrates? Here we discovered that in the invertebrate cephalochordate amphioxus, the basement membranes of endoderm and mesoderm line the lumen of the major vessels, namely aorta and heart. During amphioxus development a laminin-containing extracellular matrix (ECM) was found to fill the space between the basal cell surfaces of endoderm and mesoderm along their anterior-posterior (A-P) axes. Blood cells appear in this ECM-filled tubular space, coincident with the development of a vascular lumen. To get insight into the underlying cellular mechanism, we induced vessels in vitro with a cell polarity similar to the vessels of amphioxus. We show that basal cell surfaces can form a vascular lumen filled with ECM, and that phagocytotic blood cells can clear this luminal ECM to generate a patent vascular lumen. Therefore, our experiments suggest a mechanism of blood vessel formation via basal cell surfaces in amphioxus and possibly in other invertebrates that do not have any endothelial cells. In addition, a comparison between amphioxus and mouse shows that endothelial cells physically separate the basement membranes from the vascular lumen, suggesting that endothelial cells create cardiovascular tubes with a cell polarity of epithelial tubes in vertebrates and mammals.

Le niveau d’hémoglobine (Hb) d’un nouveau-né diminue dans les premiers mois de vie. Cette anémie dite physiologique est plus sévère chez les nourrissons admis aux soins intensifs néonataux (SIN), et ceux-ci nécessitent souvent une transfusion sanguine. En néonatalogie, les indications de transfuser sont controversées et les pratiques transfusionnelles sont très variables. Pour mieux comprendre ces pratiques, nous avons mené l’étude prospective «Epidemiology and determinants of red blood cells transfusion in a neonatal intensive care unit: a cohort study». 13.4% des patients consécutifs admis aux SIN pendant l’étude ont reçu au moins une transfusion sanguine. Les prématurés nés à moins de 28 semaines d’âge gestationnel ont reçu la majorité des transfusions (62.2%) mais les nourrissons à terme admis aux SIN sont aussi fréquemment transfusés (4.9% des transfusions). Les principales justifications évoquées par les cliniciens prescrivant des transfusions sont un niveau bas d’Hb, la maladie de base et le désir d’améliorer l’oxygénation des organes. Notre étude a confirmé une grande variabilité du seuil d’Hb justifiant une transfusion, s’étendant de 62 à 137 g/L. Le syndrome de défaillance multiviscérale (SDMV), défini par l’observation simultanée d’au moins deux dysfonctions d’organes, est un facteur important de mortalité-morbidité chez les enfants traités en soins intensifs pédiatriques. L’association entre SDMV et transfusions est bien décrite dans cette population. Deux listes de critères diagnostiques du SDMV pédiatrique sont utilisées dans la littérature médicale : celles de Proulx et de Goldstein. Nous avons entrepris l’étude de cohorte prospective «Multiple organ dysfunction syndrome in critically ill children : clinical value of two lists of diagnostic criteria» dans le but de valider et de comparer leur valeur diagnostique respective. Nos résultats ont démontré que l’épidémiologie du SDMV varie selon la définition utilisée : l’incidence était de 21.4% vs. 37.3% selon les critères de Proulx et de Goldstein respectivement. Les deux listes de critères diagnostiques ont une bonne reproductibilité inter- et intra-observateur; celle de Proulx est cependant associée à une plus haute mortalité à 90 jours (17.8% vs. 11.5%, p = 0.038). Le SDMV a été décrit chez les nouveau-nés en SIN en utilisant le NEOMOD, un score adapté à cette population. Avec une meilleure caractérisation, le SDMV deviendrait un critère de jugement intéressant pour les essais cliniques randomisés en médecine transfusionnelle en néonatologie. / In the first few months of life, the level of hemoglobin (Hb) in the newborn normally decreases. This physiological anemia is more severe in neonates admitted to a neonatal intensive care unit (NICU), who frequently require a red blood cells (RBC) transfusion. In neonatal medicine, the indications for transfusion are controversial and practices are highly variable. To better understand those practices, we conducted the prospective study: «Epidemiology and determinants of red blood cells transfusion in a neonatal intensive care unit: a cohort study». Among the patients consecutively admitted to NICU during the study period, 13.4% received at least one RBC transfusion. Although premature babies born at less than 28 weeks gestation received the majority of transfusions (62.2%), term neonates admitted to NICU were also frequently transfused (4.9% of transfusions). The main justifications for giving a RBC transfusion were: low Hb level, underlying illness and to improve oxygen delivery. We also observed a wide range of Hb thresholds that triggered a decision to transfuse (from 62 to 137 g/L). The multiple organ dysfunction syndrome (MODS), which is defined as the simultaneous dysfunction of at least two organs or systems, is highly associated with mortality and morbidity in critically ill children. The association between MODS and transfusions is also well described in this population. Two sets of criteria of pediatric MODS are currently used in the medical literature: one by Proulx, and another by Goldstein. We did the prospective cohort study «Multiple organ dysfunction syndrome in critically ill children : clinical value of two lists of diagnostic criteria» to validate and compare the diagnostic value of those two definitions of MODS. We observed that the epidemiology of MODS varies according to which list of criteria is used: the incidence was 21.4% vs. 37.3% with Proulx and Goldstein criteria, respectively. Both sets of criteria have a good inter- and intra-rater reproducibility. The diagnostic of MODS according to Proulx criteria is associated with higher 90-days mortality (17.8% vs. 11.5%, p = 0.038). MODS is also described in neonates, using a score adapted to this population, the NEOMOD. Neonatal MODS represents an interesting outcome measure in clinical trials in neonatal transfusion medicine. However, prior to that, it needs to be better characterized.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Ma thèse s'inscrit dans l'étude des modifications du globule rouge humain induites par P. falciparum. Ces modifications qui représentent une remarquable adaptation du parasite à un environnement plus complexe qu'il n'y paraît au premier abord et expliquent sa persistance chez l'Homme sont détaillées dans une revue et un chapitre de livre dont je suis co-auteur. Mes travaux de recherche ont porté sur la caractérisation fonctionnelle des structures de Maurer, un compartiment membranaire exporté par le parasite dans le globule rouge parasitaire et directement lié à la physiopathologie du paludisme grave. J'ai contribué à la caractérisation fonctionnelle de nouvelles protéines de ces structures, codées par trois familles multigéniques sub-télomériques en cluster avec la famille Pfmc-2tm, et présentant de façon étonnante un fort degré de conservation (article 1). La diminution d'expression de ces gènes, obtenue par titration d'un facteur transcriptionnel, entraine un défaut de libération des mérozoïtes. Mon deuxième projet porte sur l'identification des modalités d'export de la protéine transmembranaire résidente des structures de Maurer PfSBP1. Mes travaux montrent que PfSBP1 est exportée sous forme soluble dans le cytoplasme érythrocytaire, en interaction avec le complexe chaperon parasitaire PfTCP1 (article 2). / Plasmodium falciparum causes the most severe forms of human malaria, a pathology associated with the erythrocytic asexual stages of the parasite. My work focused on the remodeling of the infected erythrocytes induced by P. falciparum and detailed in a review and a book chapter that I co-authored. These modifications illustrate a remarkable adaptation of P. falciparum resulting in its persistence in humans. My PhD thesis was dedicated to the functional characterization of Maurer's clefts, a membrane compartment transposed by the parasite in the cytoplasm of its host cell, and central to the export of virulence factors to the host cell surface. I have conducted two projects and contributed first to the functional characterization of novel exported protein encoded by three highly conserved multigene sub-telomeric families in cluster with the Pfmc-2tm family. Down regulation of these gene families by promoter titration impacted the release of infectious merozoites from the host cell (annex 1). My second project was dedicated to the identification of the modality of export of the resident and Maurer's clefts transmembrane protein PfSBP1. I have shown that PfSBP1 is exported as a soluble protein in the host cell cytoplasm in interaction with the parasite Thermosome complex protein 1 (PfTCP1) chaperone complex (annex 2).

Einleitung: Eisenmangel ist ein häufiges Problem bei Ausdauersportlern, da dieser die Leistungsfähigkeit einschränken und zu einer Blutanämie führen kann. Von den klassischen Eisenstoffwechselparametern sind nur wenige geeignet, den tatsächlichen Eisenstatus anzuzeigen, da sie durch sportliche Aktivität per se beeinflusst werden können. In der Studie wird die Wertigkeit moderner Eisenstoffwechselparameter im Ausdauersport untersucht. Ergebnisse und Diskussion: Der Hämoglobingehalt der Retikulozyten (CHr) und der prozentuale Anteil der hypochromen Erythrozyten (% HYPO) bleiben als moderne Parameter der Eisenstoffwechseldiagnostik auch nach regenerativen, extensiven sowie intensiven Ausdauerbelastungen konstant. Sie zeigen somit unbeeinflusst von der (Ausdauer-)Sportart als auch von der Belastungsdauer und –intensität die aktuelle Eisenversorgung der Erythropoese im Knochenmark an. Als Monitoringparameter im Rahmen einer Eisensubstitution sind der CHr sowie der prozentuale Anteil hypochromer Retikulozyten sensible Parameter, mit denen sich schnell und zuverlässig die Effektivität einer oralen Eisensubstitution nachweisen lässt. Der Eisenstatus kann durch die alleinige Bestimmung des CHr bzw. des % HYPO nicht exakt ermittelt werden. Im Gegensatz zum Einsatz bei klinischen Fragestellungen können sie zu diesem Zeitpunkt in der Sportmedizin allenfalls nur ein ergänzender Parameter in der Differentialdiagnostik eines Eisenmangels sein. Die für Ausdauersportler ermittelten Referenzwerte liegen bei 28,8-35,9 pg für den CHr und bei 0-0,5 % für die hypochromen Erythrozyten. Ein belastungsbedingter Anstieg des Eisen-regulierenden Hormons Hepcidin könnte auf Grund seiner inhibitorischen Wirkung auf die intestinale Eisenabsorption sowie auf die Freisetzung von Eisen aus den Makrophagen zur Entwicklung von Eisenmangel-zuständen führen. Die Entwicklung von Hepcidin-Antagonisten könnte in Zukunft therapeutische Anwendungen finden. / Introduction: Athletes are commonly diagnosed with iron deficiency, particularly those involved in endurance sports. It often not only decreases athletic performance but also contributes to the development of anaemia. Many biochemical markers are used to evaluate body iron stores but some of them are affected by physical exercises. This study was designed to investigate new haematological parameters in endurance athletes. Results and discussion: Reticulocyte hemoglobin content (CHr) and percentage of hypochromic red cells (% HYPO) were highly stable in athletes subjected to varying physical loads. Furthermore, they were neither affected by different forms of endurance sports nor by their duration and intensity. These modern indices are able to reflect the availability of iron during erythropoiesis at all times. In the early prediction of response to oral iron supplementation, the reticulocyte indices CHr and % HYPOr (percentage of hypochromic reticulocytes) are the most sensitive parameters. However, it is not possible to assess the iron status in athletes by CHr and % HYPO alone. In contrast to other clinical cases they can only be an additional parameter in the differential diagnosis of iron deficiency. The calculated reference range for endurance athletes are 28,8 - 35,9 pg for CHr and 0-0,5 % for % HYPO. As the iron-regulating hormone hepcidin is inhibiting the absorption of iron from the diet at the site of the duodenal enterocytes and blocking the release of iron from macrophages that have collected senescent erythrocytes, an exercise induced up-regulation of hepcidin activity might potentially be a new mechanism causing iron deficiency in athletes. Therefore, the development of hepcidin antagonists could prove to be helpful with regard to therapeutic utilization.

Os mecanismos envolvidos na associação entre poluição do ar e aumento da mortalidade cardiovascular não estão ao todo esclarecidos. O objetivo deste estudo foi testar os efeitos agudos do PM2.5 da cidade de São Paulo sobre a freqüência cardíaca (FC), variabilidade da freqüência cardíaca (VFC), inflamação sistêmica e vasoconstrição de arteríolas de ratos Wistar saudáveis. O PM2.5 foi coletado em filtros de fibra de vidro utilizando um amostrador de grandes volumes. Para o ECG foram utilizados 47 ratos que foram submetidos a instilação traqueal de: salina, filtro branco, 50 ?g e 100 ?g de PM2.5. A freqüência cardíaca (FC) e o desvio-padrão dos intervalos NN (SDNN) foram avaliados na fase pré, 30 e 60 minutos após a instilação. Outro grupo de 38 ratos foram submetidos a instilação traqueal de: filtro branco, 100 ?g e 500 ?g de PM2.5 para análises hematológicas e histopatológicas. Estes animais foram sacrificados 24 horas após a instilação traqueal para a coleta de sangue e amostras de pulmão e coração para a morfometria e análise da razão peso seco/úmido. A FC diminuiu significativamente (p<0.001) com o tempo, mas não houve efeito de tratamento ou interação entre tempo e tratamento. O SDNN diminuiu 60 minutos após a instilação nos grupos de 50 ?g e 100 ?g de PM2.5 (p=0.025). O número de reticulócitos aumentou significativamente em ambas as doses de PM2.5 (p<0.05), enquanto que o hematócrito aumentou somente no grupo de 500 ?g (p<0.05). Segmentados, neutrófilos e fibrinogênio diminuíram significativamente, enquanto que os linfócitos aumentaram com 100 ?g de PM2.5 (p<0.05). Houve uma diminuição dose-dependente da razão luz/parede (L/P) das arteríolas pulmonares intra-acinares em ambos grupos de PM (p<0.001). A razão L/P das arteríolas peri-bronquiolares diminuiu no grupo que recebeu 500 ?g de PM2.5 (p<0.001). Houve um aumento significativo da razão peso seco/úmido no coração para o grupo que recebeu 500 ?g (p<0.001). Concluindo, as partículas finas da cidade de São Paulo induzem a uma redução do SDNN e promovem alterações histológicas pulmonares e cardíacas, resultando em significante vasoconstrição. A medula óssea também participou na resposta aguda promovida pelas partículas que alcançam os pulmões / The mechanisms involved in the association between air pollution and increased cardiovascular mortality are not fully understood. The objective of this study was to test the acute effects of Sao Paulo PM2.5 on heart rate, heart rate variability, systemic inflammation and vasoconstriction of arterioles of healthy Wistar rats. PM2.5 was collected in glass fiber filters using a high volume sampler. Forty-seven rats were submitted to tracheal instillation with: saline, blank filter, 50 ?g and 100 ?g of PM2.5 to ECG analysis. Heart rate (HR) and standard deviation of the intervals between normal beats (SDNN) were assessed immediately before, 30 and 60 minutes after instillation. Another thirty-eight rats were submitted to tracheal instillation with: blank filter, 100 ?g and 500 ?g of PM2.5 to hematological and histopathological analysis. These animals were sacrificed 24 hours after instillation when blood, heart and lung samples were collected for morphological and wet-to-dry weight ratio analysis. HR decreased significantly (p< 0.001) with time, but no significant effect of treatment or interaction between time and treatment was observed. SDNN decreased 60 minutes after instillation in groups PM2.5 50 ?g and 100 ?g (p=0.025). Reticulocytes significantly increased at both PM2.5 doses (p<0.05) while hematocrit levels increased in the 500 ?g group (p<0.05). Segmented, neutrophils and fibrinogen levels significantly decreased, while lymphocytes increaseded with 100 ?g of PM2.5 (p<0.05). A significant dose-dependent decrease of intra-acinar pulmonary arterioles Lumen/Wall ratio (L/W) was observed in PM groups (p<0.001). Peribronchiolar arterioles L/W showed a significant decrease in the 500?g group (p<0.001). A significant increase in heart wet-to-dry weight ratio was observed in the 500 ?g group (p<0.001). In conclusion, fine particles in the city of Sao Paulo induces a reduction of SDNN and promote pulmonary and cardiac histological alterations, resulting in significant vasoconstriction. In addition, we observed that the bone marrow also participated in the acute response to particles reaching the lungs

La modélisation et la simulation numérique des interfaces sont au coeur de nombreuses applications en mécanique des fluides et des solides, telles que la biologie cellulaire (déformation des globules rouges dans le sang), l'ingénierie pétrolière et la sismique (modélisation de réservoirs, présence de failles, propagation des ondes), l'aérospatiale (problème de rupture, de chocs) ou encore le génie civil. Cette thèse porte sur l'approximation des problèmes d'interface et d'interphase en mécanique des fluides par la méthode NXFEM, qui permet de prendre en compte de façon précise une discontinuité non alignée avec le maillage. Nous nous sommes d'abord intéressés au développement de la méthode NXFEM pour des éléments finis non-conformes pour prendre en compte une interface séparant deux milieux. Nous avons proposé deux approches pour les équations de Darcy et de Stokes. La première consiste à modifier les fonctions de base de Crouzeix-Raviart sur les cellules coupées et la deuxième consiste à rajouter des termes de stabilisation sur les arêtes coupées. Les résultats théoriques obtenus ont été ensuite validés numériquement. Par la suite, nous avons étudié la modélisation asymptotique et l'approximation numérique des problèmes d'interphase, faisant apparaître une couche mince. Nous avons considéré d'abord les équations de Darcy en présence d'une faille et, en passant à la limite dans la formulation faible, nous avons obtenu un modèle asymptotique où la faille est décrite par une interface, avec des conditions de transmission adéquates. Pour ce problème limite, nous avons développé une méthode numérique basée sur NXFEM avec éléments finis conformes, consistante et stable. Des tests numériques, incluant une comparaison avec la littérature, ont été réalisés. La modélisation asymptotique a été étendue aux équations de Stokes, pour lesquelles nous avons justifié le modèle limite obtenu. Enfin, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la membrane d'un globule rouge par un fluide non-newtonien viscoélastique de Giesekus, afin d'appréhender la rhéologie du sang. Pour un problème d'interphase composé de deux fluides newtoniens (l'extérieur et l'intérieur du globule) et d'un liquide de Giesekus (la membrane du globule), nous avons dérivé formellement le problème limite, dans lequel les équations dans la membrane sont remplacées par des conditions de transmission sur une interface. / Numerical modelling and simulation of interfaces in fluid and solid mechanics are at the heart of many applications, such as cell biology (deformation of red blood cells), petroleum engineering and seismic (reservoir modelling, presence of faults, wave propagation), aerospace and civil engineering etc. This thesis focuses on the approximation of interface and interphase problems in fluid mechanics by means of the NXFEM method, which takes into account discontinuities on non-aligned meshes.We have first focused on the development of NXFEM for nonconforming finite elements in order to take into account the interface between two media. Two approaches have been proposed, for Darcy and Stokes equations. The first approach consists in modifying the basis functions of Crouzeix-Raviart on the cut cells and the second approach consists in adding some stabilization terms on each part of a cut edge. We have studied them from a theoretical and a numerical point of view. Then we have studied the asymptotic modelling and numerical approximation of interphase problems, involving a thin layer between two media. We have first considered the Darcy equations in the presence of a highly permeable fracture. By passing to the limit in the weak formulation, we have obtained an asymptotic model where the 2D fracture is described by an interface with adequate transmission conditions. A numerical method based on NXFEM with conforming finite elements has been developed for this limit problem, and its consistency and uniform stability have been proved. Numerical tests including a comparison with the literature have been presented. The asymptotic modelling has been finally extended to Stokes equations, for which we have justified the limit problem. Finally, we have considered the mechanical behaviour of red blood cells in order to better understand blood rheology. The last part of the thesis is devoted to the modelling of the membrane of a red blood cell by a non-Newtonian viscoelastic liquid, described by the Giesekus model. For an interphase problem composed of two Newtonian fluids (the exterior and the interior of the red blood cell) and a Giesekus liquid (the membrane), we formally derived the limit problem where the equations in the membrane are replaced by transmission conditions on an interface.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα γίνει μελέτη και εφαρμογή μεθόδων επίλυσης του προβλήματος αναγνώρισης γεωμετρικών χαρακτηριστικών ανθρώπινων ερυθρών αιμοσφαιρίων από προσομοιωμένες εικόνες σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας ενός He-Ne laser 632.8 μm. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του ερυθροκυττάρου καθώς, επίσης, παρουσιάζονται διάφορες ανωμαλίες των ερυθροκυττάρων και οι μέχρι στιγμής χρησιμοποιούμενοι τρόποι ανίχνευσής των. Στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στις ιδιότητες της ΗΜ ακτινοβολίας, περιγράφεται το φαινόμενο της σκέδασης και παρουσιάζεται το ευθύ πρόβλημα σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας ανθρώπινων ερυθροκυττάρων. Το τρίτο κεφάλαιο αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται εκτενής ανάλυση της θεωρίας των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και περιγράφονται τα νευρωνικά δίκτυα ακτινικών συναρτήσεων RBF. Στη συνέχεια, αναφέρονται οι μέθοδοι εξαγωγής παραμέτρων και, πιο συγκεκριμένα, δίνεται το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν οι οποίες είναι ο αλογόριθμος Singular Value Decomposition (SVD), o Angular Radial μετασχηματισμός (ART) και φίλτρα Gabor. Στο δεύτερο μέρος περιγράφεται η επίλυση του αντίστροφου προβλήματος σκέδασης. Παρουσιάζεται η μεθοδολογία της διαδικασίας επίλυσης όπου εφαρμόστηκαν ο αλογόριθμος συμπίεσης εικόνας SVD, o περιγραφέας σχήματος ART και ο περιγραφέας υφής με φίλτρα Gabor για την εύρεση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και νευρωνικό δίκτυο ακτινικών συναρτήσεων RBF για την ταξινόμηση των ερυθροκυττάρων. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται δοκιμή και αξιολόγηση της μεθόδου και συνοψίζονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της διπλωματικής. / In this thesis we study and implement methods of estimating the geometrical features of the human red blood cell from a set of simulated light scattering images produced by a He-Ne laser beam at 632.8 μm. Ιn first chapter an introduction to the properties and the characteristics of red blood cells are presented. Furthermore, we describe various abnormalities of erythrocytes and the until now used ways of detection. In second chapter the properties of electromagnetic radiation and the light scattering problem of EM radiation from human erythrocytes are presented. The third chapter consists of two parts. In first part we analyse the theory of neural networks and we describe the radial basis function neural network. Then, we describe the theoritical and mathematical background of the methods that we use for feature extraction which are Singular Value Decomposition (SVD), Angular Radial Transform and Gabor filters. In second part the solution of the inverse problem of light scattering is described. We present the methodology of the solution process in which we implement a Singular Value Decomposition approach, a shape descriptor with Angular Radial Transform and a homogenous texture descriptor which uses Gabor filters for the estimation of the geometrical characteristics and a RBF neural network for the classification of the erythrocytes. In the forth and last chapter the described methods are evaluated and we summarise the experimental results and conclusions that were extracted from this thesis.