Calcification is linked to a high prevalence of cardiovascular events and mortality due to arterial stiffness. Stiffening of the arteries in the case of medial calcification is due to hydroxyapatite mineral deposited in the artery thus leading to the loss of elastin. A possibility of removing this rogue mineral along the vessel walls could be the use of osteoclasts. Osteoclasts, a type of osteocyte, have the unique ability to absorb bone in the bone turnover process. It is proposed that in the future, osteoclasts be delivered to the site of mineralization through oxidized alginate-fibrin microbeads. Alginate hydrogels have proven great in drug delivery and could be a revolutionary cell delivery device to provide care for multitudes of people suffering from adjacent cardiovascular health problems such as arterial stiffness.

Cardiovascular disease is a significant health crisis, representing 32% of deaths worldwide in 2019. Vascular calcification (VC), a major contributor to cardiovascular disease, is a regulated biomineralization process whose exact mechanisms are unknown. Additionally, vascular smooth muscle cells (VSMCs) significantly contribute to VC by undergoing a phenotypic switch and differentiating into osteoblast-like cells. When factors like hypertension cause disturbed laminar flow in the body’s vasculature, the mechanical stress promotes the phenotypic switch and calcification of VSMCs via mechanotransduction. VC is also induced by the Wnt pathway, which is activated via mineral imbalance and mechanical stimulation. However, the exact mechanisms behind mechanotransduction in relation to VC, Wnt, and VSMC differentiation are unknown. If uncovered, knowledge of the mechanisms may be used to create effective treatments for VC.

Atherosclerosis is a chronic inflammatory disorder of medium and large vessels. Immune signaling and dyslipidemia are two of several processes which influence lesion development in atherosclerosis. Cannabinoids, such as those found in marijuana, exert their effects through two cannabinoid receptors, CB1 and CB2. Recent studies using CB2 knockout mice and CB2-selective ligands have shed light on a protective role of CB2 in early stages of atherosclerosis. However, the role of CB2 in advanced stages of atherosclerosis remains unclear. To determine if CB2 plays a role in advanced atherosclerotic lesion composition and progression, we investigated the effects of systemic CB2 gene deletion on advanced atherogenesis in Ldlr-null mice fed an atherogenic high fat diet (HFD) for 20-24 weeks. CB2 deficiency did not significantly affect aortic root lesion area, however, CB2-/- mice had a significant increase (~1.9 fold) in the percentage of abdominal aorta surface occupied by lesion. CB2-/- mice also displayed increased lesional macrophage content (~2.3 fold) and an unstable phenotype characterized by significantly reduced smooth muscle cell/macrophage ratio and increased matrix metalloproteinase-9 activity and mineralization. These results suggest that although CB2 does not affect the size of atherosclerotic lesions, it does modulate the cellular and extracellular matrix composition and promotes a stable phenotype. CB2+/+ and CB2-/- mice were also subjected to treatments with either CB2-selective agonist, JWH-015, or antagonist, SR144528, over the last four weeks of a 24 week atherogenic diet to identify the effects of CB2 stimulation on calcification of advanced lesions. No change was observed in body weight or cholesterol in response to either treatment. SR144528 reduced triglycerides and mineralization of aortic root lesions in CB2+/+ mice only. Aortic Runx2 and osteopontin were increased in response to JWH-015 by a CB2-dependent mechanism. Administration of synthetic cannabinoids in an ex vivo organ culture of CB2+/+ aortas revealed increased vascular calcification in response to CB2 blockade and decreased vascular calcification in response to CB2 activation. All together, these results support a protective role for CB2 in late stages of atherosclerosis and suggests that drugs targeting CB2 may be beneficial in the treatment of advanced atherosclerosis by affecting osteogenic mechanisms implicated in the mineralization of lesions.

Le rétrécissement valvulaire aortique calcifié (RAC) est le trouble valvulaire le plus fréquent chez les personnes âgées des pays développés. La seule option de traitement possible le remplacement de la valve aortique. L'identification du rôle de l’enzyme ecto-nucleotidase NPP1 dans le processus de calcification suggère que cette enzyme pourrait être une cible potentielle pour le développement d'un inhibiteur pharmacologique contre la calcification de la valve aortique. Jusqu’à présent, les composés qui ont été développés en tant qu'inhibiteurs de NPP1 manquent de puissance et de spécificité. Dans la présente étude, nous avons démontré que les dérivés de sulfonamides quinazolin-4-pipéridine sont des inhibiteurs puissants, spécifiques, et non-compétitifs de NPP1. In vitro, dans des cellules isolées de valve aortique nous avons fourni des preuves que l’inhibition de NPP1 par ces dérivés bloque la minéralisation, l’apoptose et la transition ostéogénique des cellules interstitielles de valve aortique. / Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most common valvular disorder in the elderly population in the developed counties with the only valid treatment option today remains the aortic valve repair or replacement. The identification of the role of an ectonucleotidase enzyme NPP1 in the process of calcification shed new light into the development of a pharmacological inhibitor that may prevent the calcification of the aortic valve. By far, the compounds that have been developed as inhibitors of NPP1 lack potency and specificity. In the current study, we showed that the quinazolin-4-piperidin sulfamide derivatives to be a potent, specific, and non-competitive inhibitors of NPP1. We also provided evidence that by inhibiting NPP1 enzyme activity these derivatives are able to prevent phosphate-induced mineralization of valve interstitial cells (VICs), the main cellular component of the aortic valve, by preventing both apoptosis and osteoblastic transitions of VICs.

280 000 prothèses valvulaires sont implantées chaque année à travers le monde pour traiter des valvulopathies. Le remplacement valvulaire a amélioré le pronostic des patients atteints de valvulopathies. La tendance ces dix dernières années est en faveur de l’implantation des prothèses biologiques ou bioprothèses par rapport aux prothèses mécaniques et actuellement, près de 80% des valves implantées sont des bioprothèses (BPs). Les BPs sont moins thrombogènes que les prothèses mécaniques et ne nécessitent généralement pas de traitement anticoagulant mais leur principal inconvénient est leur durée de vie limitée. La dégénérescence structurelle de la bioprothèse (DSB) est la cause principale de sa dysfonction, elle consiste en une calcification des feuillets qui entraîne une sténose progressive de la BP et/ou une déchirure de feuillet responsable d’une régurgitation. On estime que 20 à 30% des BPs présenteraient un certain degré de dysfonction 10 ans après l’implantation. La DSB est donc la principale limitation à l’utilisation des BPs et aucun moyen efficace de traitement de la bioprothèse avant l’implantation n’a pu être établi pour stopper ou éviter la progression de la DSB. Cependant, des études récentes suggèrent que la DSB serait un processus complexe incluant plusieurs mécanismes : une inflammation liée à la présence de lipides qui ressemblerait au phénomène d’athérosclérose, un dépôt de calcium lié à un métabolisme phospho-calcique dysfonctionnel et une réponse immune. Ainsi de nouvelles perspectives de recherche pourraient aboutir au développement d’approches thérapeutiques que ce soit dans le choix de la prothèse ou le traitement à instituer au moment de la chirurgie afin de prévenir la DSB. Néanmoins, pour développer de nouvelles stratégies efficaces afin d’éviter la DSB, il est d’abord nécessaire de comprendre les mécanismes qui aboutissent à la DSB et d’identifier les facteurs liés à la prothèse ainsi que les facteurs cliniques et métaboliques liés au patient qui sont impliqués dans ces processus et en particulier ceux qui sont modifiables. L’objectif général du projet est d’élucider les mécanismes impliqués dans la pathogénèse de la dégénérescence structurelle des bioprothèses aortiques et d’identifier les facteurs cliniques et métaboliques qui déterminent de façon indépendante ce processus pathologique. / Worldwide it is estimated that 280 000 valve substitutes are implanted each year to replace diseased heart valves. Hence, valve replacement has improved the outcome of patients with valvular heart diseases. The trend over the last decade is towards the use of biological valves or bioprotheses instead of mechanical valves and at the present time, nearly 80% of the implanted valve substitutes are bioprostheses (BPVs). BPVs have a low thrombogenicity, which generally obviates the need for anticoagulation. However, the use of BPVs is still plagued by their limited durability. Structural valve deterioration (SVD) is the major cause of bioprosthetic valve failure expressed clinically by a progressive prosthetic stenosis due to leaflet calcification and/or by regurgitation due to leaflet tear. It is estimated that 20-30% of implanted BPVs will have some degree of dysfunction at 10 years. Thus, SVD is a major hurdle to the widespread utilization of BPVs. Unfortunately, there are currently no effective means by which progression of SVD may be reduced or stopped by the treatment of valve tissues before implantation. However, recent studies suggest that SVD is a complex process probably modulated by several mechanisms including an atherosclerotic-like lipid-mediated inflammation, a calcium deposit induced by a dysfunctional phospho- calcic metabolism and an immune response. Therefore, new directions of research could lead to the development of treatment approaches for the prevention of SVD such as the choice of a specific type of BPV or the initiation of a treatment at the time of valve replacement. Nonetheless, to develop new efficient treatments to avoid BPV failure, it is first required to understand the mechanisms leading to BPV SVD and to identify the factors related to the BPV itself and to the patient clinical and metabolic factors, especially the modifiable ones, that are involved in these processes. The general objective of the study is thus to elucidate the mechanisms implicated in the pathogenesis of structural valve deterioration of aortic bioprostheses and to identify the clinical and metabolic factors that independently determine this pathologic process.

La sténose aortique calcifiante est la plus commune des maladies cardiovasculaires dans les pays occidentaux après la maladie des artères coronaires et l’hypertension artérielle systémique. À ce jour on ne dispose d’aucun traitement capable d’arrêter ou ralentir la progression de la sténose aortique. Les seuls traitements dont on dispose, sont le remplacement valvulaire aortique ou l’implantation de valves par transcathéter dans les cas de sténose sévère symptomatique. Dans ce contexte, il est indispensable de pouvoir développer une solution pharmaceutique efficace permettant de ralentir la progression de la sténose et ainsi éviter une intervention invasive. Par le passé, la sténose aortique était considérée comme une simple atteinte dégénérative de la valve aortique, en lien avec le vieillissement. Néanmoins, de par les avancées effectuées durant les deux dernières décennies, on sait désormais que la sténose aortique est une maladie hautement complexe et activement régulée, impliquant notamment des processus pathologiques semblables à l’athérosclérose ou encore l’artériosclérose. De surcroît, identifier les facteurs impliqués dans la progression de la maladie s’avère indispensable pour la compréhension de la pathogénèse de la sténose aortique. À cet égard, l’hypertension artérielle est une comorbidité fréquemment associée à la sténose aortique et de précédentes observations suggèrent qu’elle pourrait avoir un impact à la fois sur le développement et la progression de la sténose aortique. L’hypothèse principale à l’origine de ce projet de maîtrise était que l’hypertension artérielle systolique, la forme la plus prévalente d’hypertension chez les patients atteints de sténose aortique, conduit à une progression plus rapide de la calcification de la valve aortique. L’objectif principal de cette étude était donc d’évaluer l’impact de l’hypertension artérielle systolique sur la progression de la calcification valvulaire aortique mesurée par tomodensitométrie chez les patients atteints de sténose aortique. / Calcific aortic stenosis is the most common cardiovascular disease in Western countries after coronary artery disease and hypertension. So far, there is no effective medical therapy able to stop or slow the progression of aortic stenosis. The only available treatments are surgical or transcatheter aortic valve replacement for patients with severe symptomatic aortic stenosis. In this context, it is crucial to develop efficient pharmaceutical therapy able to slow the stenosis progression and thus prevent such invasive intervention. In the past, aortic stenosis was thought to be a simple degenerative process of the aortic valve linked to aging. However, the advances performed during the last two decades showed that aortic stenosis is a highly complex and actively regulated disease, especially involving pathological processes close to atherosclerosis or arteriosclerosis. Furthermore, identified the key factors involved in the disease progression is essential to understand the pathogenesis of aortic stenosis. In this regard, hypertension is a common comorbidity of aortic stenosis and previous findings suggest that it may have an impact both on the development and progression of aortic stenosis. The primary hypothesis of this MSc project was that systolic hypertension, the most prevalent form of hypertension in patients with aortic stenosis, leads to faster progression of aortic valve calcification. Thus the main objective of this study was to assess the impact of systolic hypertension on the progression of aortic valve calcification assessed by multidetector computed tomography in patients with aortic stenosis.

Cardiovascular disease is among the leading causes of death in the US. It stems from the pathological buildup of plaque within the vasculature known as vascular calcification. Medial calcification, or arteriosclerosis is the buildup of plaque within the medial layer of the arteries resulting in artery wall stiffening and reduction of blood flow. Evidence suggests that the vascular smooth muscles cells (VSMCs) that line the medial layer of the arteries, undergo a phenotypic switch to osteoblast-like cells to deposit calcium while in this pathological state. The Wnt/BETA-catenin pathway could potentially play a role in the phenotypic modulation. Inhibition of the Wnt signaling pathway could be a promising approach to combat vascular calcification. Sclerostin (SOST) has been shown to be upregulated during arteriosclerosis in a manner that is indicative of the possible therapeutic potential of the protein. Therefore, we propose to confirm the role of Wnt signaling in vascular calcification and investigate the effects of SOST treatment on vascular calcification.

Le rétrécissement valvulaire aortique (RVA) est causé par une calcification et une fibrose progressive de la valve aortique. Le risque de développer la maladie augmente avec l’âge. À cause de l'augmentation de l'espérance de vie, le RVA est devenu un problème de santé publique. Le RVA est fatal en absence de traitement médical. Actuellement, la chirurgie est le seul traitement pour le stade sévère de la maladie, mais près de 50% des individus avec RVA n’y sont pas éligibles, principalement due à la présence de comorbidités. Plusieurs processus biologiques ont été associés à la maladie, mais les voies moléculaires spécifiques et les gènes impliqués dans le développement et la progression du RVA ne sont pas connus. Il est donc urgent de découvrir les gènes de susceptibilité pour le RVA afin d’identifier les personnes à risque ainsi que les biomarqueurs et les cibles thérapeutiques pouvant mener au développement de médicaments pour inverser ou limiter la progression de la maladie. L'objectif de cette thèse de doctorat était d'identifier la base moléculaire du RVA. Des approches modernes en génomique, incluant l’étude de gènes candidats et le criblage génomique par association (GWAS), ont été réalisées à l’aide de collections d’ADN provenant d’un grand nombre de patients bien caractérisés pour le RVA. Des études complémentaires en transciptomique ont comparé le profil d’expression global des gènes entre des valves calcifiées et non-calcifiées à l’aide de biopuces à ADN et de séquençage de l'ARN. Une première étude a identifié des variations dans le gène NOTCH1 et suggère pour la première fois la présence d'un polymorphisme commun dans ce gène conférant une susceptibilité au RVA. La deuxième étude a combiné par méta-analyse deux GWAS de patients provenant de la ville de Québec et Paris (France) aux données transcriptomiques. Cette étude de génomique intégrative a confirmé le rôle de RUNX2 dans le RVA et a permis l’identification d’un nouveau gène de susceptibilité, CACNA1C. Les troisième et quatrième études sur l’expression des gènes ont permis de mieux comprendre les bases moléculaires de la calcification des valves aortiques bicuspides et ainsi d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour le RVA. Les données générées par ce projet sont la base de futures découvertes importantes qui permettront d'améliorer les options de traitement et la qualité de vie des patients atteints du RVA. / Calcific aortic valve disease (CAVD) is a common disease that causes the narrowing of the aortic valve due to fibrosis and calcification of the valve leaflets. The risk of CAVD increases with age. Due to the increase in life expectancy, CAVD is becoming a major public health problem. CAVD is fatal in the absence of medical treatment. Currently, surgery is the only treatment for severe stages of the disease, but nearly 50% of individual with CAVD are not eligible for surgery; mainly because of the presence of comorbidities. Several biological processes have been associated with the disease but the specific cell signaling pathways and genes implicated in CAVD development and progression are yet to be discovered. Thus, it is urgent to discover the susceptibility genes for CAVD, which will help identify individuals at risk as well as biomarkers and therapeutic targets for developing medication to reverse or limit disease progression. The objective of this thesis was to identify the molecular basis of CAVD. Modern genomic approaches including candidate gene and genome-wide association studies (GWAS) were performed with large DNA collections of patients well-characterized for CAVD. Whole-genome gene expression studies were also performed to compare calcified bicuspid and tricuspid valves with normal aortic valves using microarrays and RNA-Sequencing. A GWAS meta-analysis was performed using two cohorts of patients with CAVD from Quebec City and Paris. The integration of different whole-genome approaches revealed a new gene associated with CAVD called CACNA1C. This work also confirmed the potential role of NOTCH1 and RUNX2 in CAVD. In addition, this work identified new genes differentially expressed in calcified compared to normal aortic valves that are implicated in biological processes involved in the disease. These new developments are important to better understand the pathophysiological processes implicated in aortic valve calcification. Several genes differentially expressed in calcified compared to normal valves are targets for existing and emerging drugs. In general, this work has increased the knowledge about the etiology of CAVD in patients with bicuspid and tricuspid aortic valves and has identified new susceptibility genes for the development of this disease. The data generated by this project are the base of future important discoveries that will improve treatment options and the quality of life of patients with CAVD.

En insuffisance rénale chronique (IRC), les désordres du métabolisme minéral osseux causent des pathologies osseuses et vasculaires. La calcification vasculaire s’accompagne de rigidité artérielle et de remodelage vasculaire. Nos objectifs sont de décrire le rôle du remodelage vasculaire dans le développement de la rigidité et de la calcification artérielle et de décrire les anomalies osseuses corticales en IRC. L’IRC et la calcification vasculaire sont induites par néphrectomie 5/6 et supplémentation en calcium, phosphore et vitamine D. La diminution de la détection en immunofluorescence d’α-actine du muscle lisse et d’élastine et l’augmentation d’ostéocalcine et d’endothéline-1 sont associées à l’augmentation de la calcification vasculaire et de la vélocité de l’onde de pouls. Ces atteintes vasculaires s’accompagnent d’une diminution du volume, de l’aire et de l’épaisseur de l’os cortical tibial. Ainsi, la calcification artérielle s’accompagne d’un remodelage vasculaire responsable, du moins partiellement, de la rigidité artérielle et s’accompagne aussi de perte osseuse corticale. / In chronic kidney disease (CKD), mineral metabolism disorders cause vascular and bone disease. Vascular calcification is associated with vascular remodeling. Our objectives were to describe the role of vascular remodeling in arterial stiffness and calcification and to describe cortical bone abnormalities in CKD. CKD and vascular calcification were induced by 5/6 nephrectomy and calcium, phosphorus and vitamin D supplementation. The decrease in immunofluorescence detection of α-smooth muscle actin and elastin and the increase of osteocalcin and endothelin-1 were associated with increased arterial stiffness and calcification. These changes were accompanied by a decrease in volume, area and thickness of cortical bone of the tibia. Therefore, vascular calcification is associated with vascular remodeling which is responsible, at least in part, for arterial stiffness and is also accompanied by cortical bone loss.

L’évaluation de la sténose aortique (SA) par échocardiographie Doppler aboutit à une classification discordante de la sévérité chez environ 30 % des patients. La tomodensitométrie qui mesure la calcification valvulaire aortique, un indice de sévérité anatomique, peut alors être utile pour corroborer la sévérité de la SA. De précédentes études ont montré une bonne corrélation entre la sévérité hémodynamique mesurée par échocardiographie Doppler et la sévérité anatomique définie par la calcification valvulaire aortique mesurée par tomodensitométrie. Cependant, l’impact du phénotype de la valve aortique (bicuspide versus tricuspide) et de l’âge sur cette relation entre sévérité hémodynamique et sévérité anatomique reste inconnu. Or, ces deux facteurs sont hautement impliqués dans le développement de la SA. En effet, les patients ayant une valve aortique bicuspide ont une prédisposition à développer une SA, et ce, généralement plus tôt que les patients avec une valve aortique tricuspide. L’hypothèse principale de l’étude est que le phénotype de la valve aortique et l’âge influencent la relation entre la sévérité hémodynamique et la calcification valvulaire aortique de la SA. L’objectif principal de l’étude est d’évaluer l’impact du phénotype de la valve aortique et de l’âge sur la relation entre la sévérité hémodynamique et la calcification valvulaire aortique de la SA. / Assessment of aortic stenosis (AS) by Doppler echocardiography leads to discordant severity grading in around 30% of patients. Computed tomography which measures aortic valve calcification, an indication of anatomic severity, can then be useful to corroborate AS severity. Previous studies have shown a good correlation between hemodynamic severity measured by Doppler echocardiography and anatomic severity defined by aortic valve calcification measured by computed tomography. However, the impact of aortic valve phenotype (bicuspid versus tricuspid) and age on this relation between hemodynamic severity and anatomic severity remains unknown. Yet, these two factors are highly implicated in AS development. Indeed, patients with a bicuspid aortic valve have a predisposition to develop AS, and this, generally earlier than patients with a tricuspid aortic valve. The main hypothesis of the study is that aortic valve phenotype and age influence the relationship between haemodynamic severity and aortic valve calcification of AS. The main objective of the study is to assess the impact of aortic valve phenotype and age on the relationship between haemodynamic severity and aortic valve calcification of AS.