\ / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le potentiel d’action cardiaque est un phénomène électrique finement régulé par des modifications du voltage membranaire engendré par l’ouverture de différents canaux ioniques (sodium, calcium, chlore et potassium) présents à la surface des cardiomyocytes. Les transferts d’ions, de part et d’autre de la membrane via ces canaux, génèrent des courants pouvant être mesurés par la technique de patch clamp. L’activité électrique cardiaque est donc la résultante d’un équilibre de différents flux d’ions qui peut également être modulé par les systèmes sympathique et parasympathique afin de permettre l’adaptation du rythme cardiaque. Le courant sodique (I[indice inférieur Na]) est responsable de l’initiation des potentiels d’action (PA) et module sa durée. Il joue donc un rôle prépondérant dans l’excitabilité cardiaque et la conduction de l’influx électrique. De par ce fait, une modification des propriétés biophysiques d’I[indice inférieur Na] lors de conditions physiopathologiques peut engendrer des troubles du rythme. I[indice inférieur Na] est divisé en phases rapide (I[indice inférieur Na] pic) et soutenue (I[indice inférieur NaL]) qui interviennent respectivement dans l’excitabilité et la durée d’un PA (phase de plateau). De plus, notre laboratoire a démontré que les canaux sodiques de types cardiaque ([indice inférieur Na]V1.5) et neuronaux (n[indice inférieur Na]Vs) contribuent à I[indice inférieur Na]. Chacun se différencie par leurs propriétés biophysiques, leurs contributions à I[indice inférieur Na] (pic et soutenu) ainsi qu’à leurs sensibilités à la tétrodotoxine (TTX). Nous avons étudié les effets précoces d’un diabète de type II, de l’exposition in-utero à la nicotine des nouveau-nés, de l’épilepsie et de l’ischémie sur les propriétés biophysiques du courant sodique cardiaque I[indice inférieur Na] responsable de l’impulsion électrique menant au battement cardiaque. Ces pathologies ont comme point commun l’apparition de troubles du rythme cardiaque tels que des bradycardies, des troubles de conduction menant parfois à des blocs auriculo-ventriculaires (BAV), des insuffisances cardiaques ou encore des problèmes d’excitabilité pouvant tous être reliés au courant sodique. Nos résultats montrent que toutes ces conditions physiopathologiques altèrent les propriétés du courant sodique en augmentant l’amplitude du courant I[indice inférieur Na] (diabète, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie), l’excitabilité (diabètes, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie) ou en augmentant le taux de participation des nNaVs à I[indice inférieur NaL] (épilepsie, ischémie). Nos données concordent avec la littérature et les observations cliniques et permettent d’expliquer en partie l’apparition de ces anomalies de troubles du rythme survenant chez les personnes atteintes de ces pathologies.

Il y a 4 isoforme de p38 : α, β, δ, and γ. MK5, à l'origine identifié comme étant un régulateur de PRAK (Regulated/Activated Protein Kinase), est maintenant connu pour être activée par la protéine kinase p38 (qui est un mitogène activé par la protéine kinase, MAPK). Cette dernière est impliquée dans les mécanismes de fibrose et d'apoptose pendant l'hypertrophie cardiaque. De plus, MK5 est également activée par les MAPKs atypiques; ERK3 et ERK4. Bien qu’elles soient fortement exprimées dans le coeur, le rôle physiologique de MK5 et ERK3 demeure inconnu. Par conséquent, nous avons étudié l'effet de la constriction aortique transversale (TAC) – induisant un surcharge chronique de pression chez les souris hétèrozygotes knockout pour MK5 (MK5+/-) ou ERK3 (ERK3+/-) et pour leurs types sauvages (MK5+/+ et ERK3+/+). Deux sem post-TAC; le ratio de poids du coeur/poids corporel a été augmenté chez les 2 souris MK5+/- et MK5+/+. L'échocardiographie de la trans-thoracique démontre que la surcharge de pression a altéré la fonction diastolique du ventricule gauche chez MK5+/+, mais pas chez la souris MK5+/-. De plus, nous avons observé moins de dépôt de collagène, évalué par une coloration au trichrome de Masson, 2 et 3 sem post-TAC chez les souris MK5+/-. Parallèlement, le niveau de l’ARNm de collagène type1 alpha-1 a été significativement diminué dans les coeurs des souris MK5+/-, 2 et 3 sem post-TAC. De même, ERK3, mais pas ERK5 ni p38α, co-IP avec MK5 dans les 2 modèles des coeurs TAC; aigus ou chroniques. En revanche, l’ajout exogénique de GST-MK5 a abaissé ERK4 et p38α, mais pas ERK3 dans les lysâtes de coeur de souris. Par contre, GST-ERK3 et GST-p38α ne démontrent aucune co-IP avec MK5. Ces données suggèrent que dans le coeur seul ERK3, et non ERK4 ou p38α, est capable d’interagir avec, et réguler MK5. A niveau physiologique MK5 interagit entièrement avec ERK3 et par conséquent MK5 n’est pas disponible pour lier les protéines exogéniques. Les souris hétérozygotes pour ERK3 (ERK3+/-) ont également démontré une réduction ou une absence de collagène et une faible expression d’ARNm du collagène type1 alpha1, 3 sem post-TAC. Ces résultats démontrent un important rôle pro-fibrotique de la signalisation MK5-ERK3 pendant une surcharge chronique de pression.Nous avons également démontré 5 variant d'épissage de (MK5.1-5), y compris la forme originale (MK5.1). MK5.2 et MK5.5 subissent une délétion de 6 paires de base dans l’exon 12 : MK5.3 manque l'exon 12 : MK5.4 et MK5.5 manquent les exons 2-6. L'expression des ARNm des différents variant d'épissage a été vérifiée par PCR en temps réel (qPCR). Bien que l’expression est ubiquitaire, l'abondance relative de chaque variant était tissu-spécifique (coeur, rein, pancréas, muscle squelettique, poumon, foie, et cerveau). En plus, l'abondance relative des variant d’épissage varie pendant la surcharge de pression et le développement postnatal du coeur. En outre, l'immunofluorescence a indiqué que MK5.1-5.3 se localise au noyau alors que MK5.4-5.5 est situé au niveau cytoplasmic dans les cellules HEK 293 non stimulées. Suite à une stimulation avec l'anisomycin, un activateur de p38 MAPK, MK5.1-5.3 se translocalise du noyau au cytoplasme alors qu’une petite fraction de MK5.4-5.5 translocalise vers le noyau. Ces variant d'épissage peuvent diversifier la signalisation de MK5-ERK3 dans coeur, mais leur rôle exact oblige des recherches supplémentaires. Excepté l’isoforme δ, toutes les isoformes de p38 sont exprimées dans le coeur et la forme α est considérée comme étant l'isoforme dominante. L’analyse par qPCR et immunobuvardage de type western ont démontré que p38α et p38γ sont les deux isoformes prédominantes alors que p38β et p38δ sont exprimées aux mêmes niveaux dans le coeur de rat adulte. L'immunofluorescence a démontré que p38α et p38γ se trouvent dans le cytoplasme et le noyau. Cependant, suite à la surcharge par TAC, p38γ s'est accumulé dans noyau tandis que la distribution de p38α est demeurée inchangée. Ainsi, l'abondance de p38γ et sa translocalisation nucléaire suite à la surcharge de pression indique un rôle potentiel dans l'expression génique pendant le remodelage cardiaque. En conclusion, nous avons mis en évidence pour la première fois un rôle pro-fibrotique pour la signalisation MK5-ERK3 pendant une surcharge chronique de pression. D'ailleurs, les niveaux comparables d'expression de p38γ avec p38α, et la localisation différentielle de p38γ pendant la surcharge aiguë ou chronique de pression suggèrent différents rôles possibles pour ces isoformes pendant le remodelage hypertrophique cardiaque. / There are 4 isoforms of p38 MAP kinase: α, β, γ, and δ. p38 signaling has been implicated in fibrosis and apoptosis during cardiac hypertrophy. MK5, originally identified as a p38 Regulated/Activated Protein Kinase (PRAK), is known to be downstream of p38 mitogen activated protein kinase (MAPK). Although highly expressed in the heart, the physiological roles of MK5 remain unknown. To determine if MK5 plays a role in mediating detrimental effects downstream of p38, we studied the effect of transverse aortic constriction (TAC)-induced chronic pressure overload in mice heterozygous for a knockout of MK5 (MK5+/-). Moreover, as MK5 is also activated by the atypical MAPKs, ERK3 and ERK4, the effects of TAC were also studied in ERK3+/- mice. Wild-type (MK5+/+; ERK3+/+) littermates were used as controls. Two wks post-TAC, heart weight/body weight ratios were significantly and similarly increased in both MK5+/- and MK5+/+ hearts. Trans-thoracic echocardiography revealed that pressure overload impaired left ventricular diastolic function in MK5+/+, but not in MK5+/- hearts. In addition, less collagen deposition, assessed by Masson trichrome staining, was observed in MK5+/- hearts 2 and 3 wks post-TAC. Furthermore, TAC-induced increases in collagen alpha1 type1 mRNA levels were significantly lower in MK5+/- hearts at both 2 and 3 wks post-TAC. Immunoprecipitation of MK5 resulted in co-immunoprecipitation of ERK3 but not ERK4 or p38α in either acute or chronic sham-operated and TAC hearts. In contrast, exogenous GST-MK5 pulled down endogenous ERK4 and p38α, but not ERK3, from mouse heart lysates. Neither exogenous GST-ERK3 nor GST-p38α pulled down MK5. These results suggest that MK5 associates with, and is regulated by ERK3, but not ERK4 or p38α in heart. At physiological expressional levels, all MK5 was bound to ERK3 and hence not available to bind exogenous protein. Along similar lines, mice heterozygous for an ERK3 knockout (ERK3+/-) also showed reduced or absent collagen deposition and lower collagen alpha1 type1 mRNA levels 3 wks post-TAC. This data suggests an important pro-fibrotic role of MK5-ERK3 signaling during chronic pressure overload.We also demonstrated the existence of 5 splice variants of (MK5.1-5), including the originally published form (MK5.1). MK5.2 and MK5.5 had a 6 base pair deletion in exon 12: MK5.3 lacked exon 12: and MK5.4 and MK5.5 lacked exons 2-6. Subsequently, expression of the splice variants at the mRNA level was quantified by real time qPCR. Although ubiquitously expressed, the relative abundance of each variant was tissue-specific (heart, kidney, pancreas, skeletal muscle, lung, liver, and brain). Additionally, the relative abundance of MK5 splice variants changed in the heart during pressure overload and post-natal development. Furthermore, immunofluorescence revealed MK5.1-5.3 localized to the nucleus and MK5.4-5.5 to the cytoplasm in unstimulated HEK 293 cells. Upon stimulation with anisomycin, which activates p38 MAPK, MK5.1-5.3 translocated from the nucleus to the cytoplasm and small amounts of MK5.4-5.5 relocated to the nucleus. These splice variants may further diversify MK5-ERK3 signaling in the heart, but their exact role awaits further investigation. With the exception of p38δ, all p38 isoforms are expressed in the heart and α is considered to be the prominent isoform in this tissue. qPCR and western blot analysis revealed p38α and p38γ to be the predominant isoforms and p38β and p38δ are expressed at comparable levels in the adult heart. Confocal immunofluorescence studies revealed p38α and p38γ in both the cytoplasm and nucleus. However, in response to TAC, p38γ accumulated in the nucleus whereas the distribution of p38α remained unaffected. The high abundance of p38γ and its nuclear accumulation during chronic pressure overload suggest that this isoform may play a role in gene expression during pathological cardiac remodeling. In conclusion, we have shown for the first time a pro-fibrotic role for MK5-ERK3 signaling during chronic pressure overload. Moreover, comparable expression levels of p38γ with p38α, and differential localization of p38γ during acute or chronic pressure overload, suggest these isoforms play different roles during cardiac remodeling.

L’objectif de la présente thèse était de caractériser le sommeil d’un groupe clinique d’enfants et d’adolescents ayant un trouble d’anxiété comme diagnostic primaire et le comparer à un groupe témoin. Dans un premier temps, nous avons vérifié si le profil de la fréquence cardiaque nocturne des enfants et des adolescents pouvait être regroupé selon le diagnostic. Pour ce faire, la fréquence cardiaque nocturne de 67 adolescents anxieux et 19 sujets non anxieux a été enregistrée à l’aide d’un équipement ambulatoire. Les résultats de cette étude montrent que le profil de la fréquence cardiaque nocturne chez les enfants anxieux varie selon le diagnostic. Alors que les adolescents non anxieux montrent un profil de la fréquence cardiaque nocturne plat, on retrouve les associations suivantes chez les adolescents ayant un trouble anxieux : a) un profil croissant de la fréquence cardiaque chez les adolescents ayant un trouble d’anxiété de séparation; b) un profil décroissant de la fréquence cardiaque chez les adolescents ayant un trouble d’anxiété généralisé; c) un profil en forme de U chez les adolescents ayant un trouble d’anxiété sociale. De plus, une association significative a été observée entre le diagnostic et la présence de fatigue matinale. L’association d’un profil de la fréquence cardiaque nocturne avec un diagnostic d’anxiété suggère la présence d’une dysrégulation de la modulation chronobiologique du système nerveux autonome. Étant donné que le profil de la fréquence cardiaque nocturne s’exprime différemment selon le diagnostic, qu’en est-il de l’architecture du sommeil? Dans un deuxième temps, nous avons enregistré le sommeil en laboratoire d’un groupe clinique de 19 jeunes ayant un trouble d’anxiété comme diagnostic primaire, avec comorbidités et médication et comparé à 19 jeunes non anxieux. Les résultats de cette étude ont montré que les participants du groupe anxieux ont une latence au sommeil plus longue, une latence au sommeil paradoxal plus longue et une durée d’éveil plus longue lorsque comparé au groupe témoin. L’évaluation subjective de la qualité du sommeil chez le groupe d’adolescents anxieux montre que leur auto-évaluation reflète les valeurs enregistrées en laboratoire. Nous avons également observé chez le groupe anxieux une fréquence cardiaque moyenne plus élevée et un index plus élevé d’apnée-hypopnée, bien que non pathologique. Nous avons également observé une association positive entre l’anxiété de trait et l’indice d’apnée-hypopnée et la latence au sommeil, ainsi qu’une association positive entre l’anxiété manifeste et la latence au sommeil paradoxal. Ces résultats suggèrent que le sommeil chez cette population est altéré, que des signes d’hypervigilance physiologique sont présents et qu'une association existe entre ces deux paramètres. Finalement, dans la troisième étude de cette thèse, nous avons analysé l’activité cardiaque pendant le sommeil en utilisant les paramètres temporels et fréquentiels de la variabilité cardiaque chez un groupe clinique de dix-sept enfants et adolescents ayant un trouble d’anxiété comme diagnostic primaire avec comorbidité et médication, et comparé à un groupe non anxieux. Les résultats ont montré que les participants du groupe anxieux, lorsque comparés au groupe non anxieux, présentent des intervalles interbattements plus courts, un indice temporel de la variabilité cardiaque représentant la branche parasympathique moindre, une activité des hautes fréquences normalisées moindre et un ratio basse fréquence sur haute fréquence augmenté. Plusieurs corrélations ont été observées entre les mesures cliniques de l’anxiété et les mesures de la variabilité cardiaque. Ces résultats viennent ajouter à la littérature actuelle un volet descriptif clinique à ce jour non documenté, soit l’impact de l’anxiété pathologique chez un groupe clinique d’enfants et d’adolescents sur le processus normal du sommeil et sur la régulation de la fréquence cardiaque. En résumé, les résultats de ces trois études ont permis de documenter chez un groupe clinique d’enfants et d’adolescents ayant de l’anxiété pathologique, la présence d’une altération circadienne du profil de la fréquence cardiaque, d’une architecture altérée du sommeil ainsi qu’une dysrégulation du système nerveux contrôlant l’activité cardiaque. / The aim of this thesis was to characterize, in a clinical group of children and adolescents with anxiety disorder as a primary diagnostic, the sleep period and to compare it to a control group. Firstly, we have verified if the nocturnal sleep pattern of children and adolescents could be grouped by psychiatric disorders. Sixty-seven children and adolescents with anxiety disorders and nineteen non anxious match controls were monitored using ambulatory recording equipment. Results showed that nocturnal heart rate pattern of anxious adolescents would vary accordingly with the diagnosis. While non anxious adolescents exhibit a flat nocturnal heart rate pattern through the night, anxious participants showed the following associations: a) increased nocturnal heart rate pattern associated with separation anxiety disorder; b) decreased nocturnal heart rate pattern associated with generalized anxiety disorder; and c) U shape nocturnal heart rate pattern associated with social phobia. Moreover, a significant association was found between anxiety diagnosis and presence of morning fatigue. The association between nocturnal heart rate patterns with anxiety suggests that the circadian modulation of heart rate is dysregulated, but what about the sleep macrostructure? Secondly, we have monitored in a sleep laboratory a clinical sample of nineteen adolescents with pathological anxiety, comorbidity and medication, and compared it to nineteen non anxious match controls. Results showed that anxious participants had longer sleep latency, longer REM sleep latency and longer awake period during sleep when compared to control participants. Compared to control participants, anxious patients subjectively reported sleep disturbances, manifested objective sleep disorders and presented no adaptation to the laboratory environment. Moreover, higher nocturnal heart rate and higher apnea-hypopnea index were observed in anxious group when compared to non anxious group. Significant positive associations were observed between Trait anxiety and apnea-hypopnea index as well as for sleep latency while manifest anxiety was associated to REM sleep latency. Results suggest that sleep of children and adolescents with pathological anxiety is altered, that signs of physiological hypervigilance are observed and that both are associated. Following previous results, we have analyzed in a third study heart rate variability during nocturnal sleep using both, times and frequency domains in a clinical sample group of seventeen children and adolescents with anxiety disorder as primary diagnostic with comorbidity and medication. Results showed that anxious when compared to non anxious, had a shorter interbeat interval, and had lower rMSSD values, less high frequency in normalized units and higher low frequency/high frequency ratio. Correlations were observed between clinical anxiety scores and time and frequency domains of heart rate variability. These results add to the growing body of literature that pathological anxiety in a clinical group of children and adolescents impact on sleep process and heart rate regulation during sleep. Overall findings add to the growing body of recent clinical literature, a sleep alteration description of a clinical sample of children and adolescents. From the three studies of this thesis, results showed that circadian heart rate pattern is altered, that sleep architecture is altered, and that the time and frequency domain of nocturnal heart rate variability is altered in a clinical group of children and adolescents with pathological anxiety.

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

La compréhension clinique et le traitement des maladies cardiovasculaires est extrêmement complexe. Pour chaque patient, les cardiologues sont confrontés à des difficultés pour déterminer la pathologie, choisir une thérapie ou encore sélectionner les patients susceptibles de bien répondre à un traitement donné. Afin de fournir une aide additionnelle aux cardiologues, de nombreuses équipes de recherche étudient la possibilité de planifier de telles thérapies grâce à des modèles biophysiques du cœur. Ils formulent l'hypothèse que l'on peut combiner les données fonctionnelles et anatomiques afin de créer des modèles cardiaques personnalisés à chaque patient qui auraient le potentiel de prédire les bénéfices des différentes thérapies. Les simulations électromécaniques du cœur sont basées sur des modèles informatiques qui peuvent représenter la géométrie, le mouvement et la propagation d'ondes électriques pendant un cycle cardiaque avec suffisamment de précision. L'intégration d'information anatomique, mécanique et électrophysiologique pour un patient donné est essentielle pour construire ce type de modèle.Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord les méthodes de personnalisations géométriques, cinématiques et électrophysiologiques nécessaires à toutes modélisations mécaniques. Nous utilisons ensuite le modèle électromécanique de Bestel-Clément-Sorine qui a déjà prouvé avoir un bon réalisme sans être trop complexe au vu des données disponibles. Nous commençons par détailler la nouvelle implémentation de ce modèle dans une plateforme efficace de simulation médicale ayant l'avantage d'être libre et interactive, puis nous analysons les résultats de la simulation par une étude de sensibilité complète.Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité de personnaliser les paramètres mécaniques de ce modèle à partir d'images médicales (IRM). Pour cela, nous proposons en premier lieu une méthode automatique de calibration qui estime les paramètres mécaniques globaux à partir de courbes de pressions et volumes. Cette technique testée sur 6 volontaires et 2 cas pathologiques nous a permis de faire une étude de spécificité qui consiste à déterminer les paramètres pertinents capables de différencier les cas pathologiques des cas sains.Une fois initialisés à ces valeurs calibrées, les paramètres sont personnalisés localement avec un algorithme d'optimisation plus complexe. Le « Reduced Order Unscented Kalman Filtering » est utilisé pour estimer les contractilités de toutes les zones AHA du ventricule gauche à partir des volumes régionaux extraits des séquences d'images IRM. Cette stratégie de personnalisation a été validée et testée sur plusieurs cas pathologiques et volontaires. Ces différentes contributions ont montré des résultats prometteurs tout au long de cette thèse et certains sont déjà utilisés pour quelques études de recherche. / The clinical understanding and treatment of cardiovascular diseases is highly complex. For each patient, cardiologists face issues in determining the pathology, choosing a therapy or selecting suitable patients for the therapy. In order to provide additional guidance to cardiologists, many research groups are investigating the possibility to plan such therapies based on biophysical models of the heart. The hypothesis is that one may combine anatomical and functional data to build patient-specific cardiac models that could have the potential to predict the benefits of different therapies. Cardiac electromechanical simulations are based on computational models that can represent the heart geometry, motion and electrophysiology patterns during a cardiac cycle with sufficient accuracy. Integration of anatomical, mechanical and electrophysiological information for a given subject is essential to build such models.In this thesis, we first introduce the geometry, kinematics and electrophysiology personalizations that are necessary inputs to mechanical modeling. We propose to use the Bestel-Cl'ement-Sorine electromechanical model of the heart, which is sufficiently accurate without being over-parametrized for the available data. We start by presenting a new implementation of this model in an efficient opensource framework for interactive medical simulation and we analyze the resulting simulations through a complete sensitivity analysis.In a second step, the goal is to personalize the mechanical parameters from medical images (MRI data). To this end, we first propose an automatic calibration algorithm that estimates global mechanical parameters from volume and pressure curves. This technique was tested on 7 volunteers and 2 heart failure cases and allowed to perform a preliminary specificity study that intends to determine the relevant parameters able to differentiate the pathological cases from the control cases.Once initialized with the calibrated values, the parameters are then locally personalized with a more complex optimization algorithm. Reduced Order Unscented Kalman Filtering is used to estimate the contractilities on all of the AHA zones of the Left Ventricle, matching the regional volumes extracted from cine MRI data. This personalization strategy was validated and tested on several pathological and healthy cases. These contributions have led to promising results through this thesis and some are already used for various research studies.

Le travail de thèse porte sur l'analyse de la fonction électrique et mécanique du cœur afin d'étudier les effets de l'insuffisance cardiaque. Il débouche sur un ensemble d'outils qui peuvent aider le clinicien à mieux comprendre et traiter l'asynchronisme cardiaque, un des aspects de l'insuffisance cardiaque. Il a pour principal objectif de résoudre le problème inverse du couplage électro-cinématique : estimer l'électrophysiologie cardiaque sans avoir à effectuer des procédures invasives de cartographie cardiaque. Les séquences cardiaques acquises de manière non-invasive sont déjà largement utilisées dans les centres cliniques et pourraient permettre de caractériser l'électrophysiologie cardiaque sans procédure invasive. La première contribution de ce travail est l'évaluation d'une méthode de recalage non-linéaire appliquée sur des séquences cardiaques pour l'estimation du mouvement. La deuxième est une nouvelle approche de simulation de séquences synthétiques d'images cardiaque. Nous utilisons des séquences réelles et un modèle électromécanique du cœur pour créer des séquences synthétiques contrôlées. Le réalisme des séquences générées repose sur l'utilisation conjointe d'un modèle biophysique et d'images réelles lors de la simulation. Enfin, la troisième contribution concerne une méthode d'estimation de la carte d'activation électrique du cœur à partir d'images médicales. Pour ce faire, nous utilisons une base de données d'images synthétiques cardiaques personnalisée à chaque patient. Ces images et les cartes d'activation électrique utilisées lors de la simulation fournissent une base d'entrainement pour apprendre la relation électro-cinématique du cœur. / This thesis focuses on the analysis of the cardiac electrical and kinematic function for heart failure patients. An expected outcome is a set of computational tools that may help a clinician in understanding, diagnosing and treating patients suffering from cardiac motion asynchrony, a specific aspect of heart failure. Understanding the inverse electro-kinematic coupling relationship is the main task of this study. With this knowledge, the widely available cardiac image sequences acquired non-invasively at clinics could be used to estimate the cardiac electrophysiology (EP) without having to perform the invasive cardiac EP mapping procedures. To this end, we use real clinical cardiac sequence and a cardiac electromechanical model to create controlled synthetic sequence so as to produce a training set in an attempt to learn the cardiac electro-kinematic relationship. Creating patient-specific database of synthetic sequences allows us to study this relationship using a machine learning approach. A first contribution of this work is a non-linear registration method applied and evaluated on cardiac sequences to estimate the cardiac motion. Second, a new approach in the generation of the synthetic but virtually realistic cardiac sequence which combines a biophysical model and clinical images is developed. Finally, we present the cardiac electrophysiological activation time estimation from medical images using a patient-specific database of synthetic image sequences.

Le choc septique est associé non seulement à une réponse immunitaire excessive et inappropriée contre l'infection, mais aussi à une augmentation de l'activité nerveuse sympathique, à une augmentation des catécholamines circulantes et à un dysfonctionnement autonome. Le blocage de la bêta 1-adrénergique a montré une protection cardiovasculaire et une amélioration de la survie pendant le choc septique dans les études expérimentales et cliniques, ce qui semble être dû à ses effets anti-inflammatoires. Cependant, les effets de la réduction du rythme cardiaque (HRR) d'un bloqueur des adrénorécepteurs bêta 1 sur la fonction cardiovasculaire et les voies inflammatoires restent peu clairs. En utilisant un médicament pur de réduction du rythme cardiaque, Ivabradine, dans un modèle de choc septique polymicrobien induit par CLP, nous avons constaté que la réduction de la fréquence cardiaque : 1) n'était associé à aucune amélioration des fonctions cardiaques ou vasculaires; 2) n'avait aucun impact sur les niveaux circulants de TNF-a, IL-6 ou IL-10; 3) n'a eu aucune influence sur l'expression d'iNOS et NF-κB cardiovasculaires, les rapports P-akt / akt et P-eNOS / eNOS et la dégradation d'IκBα dans ce contexte aigu. En utilisant un bloqueur bêta 1-adrénergique, Esmolol, dans un modèle de choc septique polymicrobien induit par CLP, nous avons constaté que de faibles doses d'Esmolol, ne diminuant pas la fréquence cardiaque 1) a aussi amélioré la fonction cardiaque évaluée par échocardiographie et la vasoréactivité évaluée par myographie ; 2) les bénéfices ont été associés avec la modulation des voies inflammatoire au niveau systémique et tissulaire. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans le traitement clinique du choc septique avec des bloqueurs adrénergiques bêta 1. / Septic shock is associated with not only an excessive and an inappropriate immune response against infection, but also with increased sympathetic nerve activity, elevated circulating catecholamines and autonomic dysfunction. Beta 1-adrenergic blockade has shown to provide cardiovascular protection and survival improvement during septic shock in experimental and clinical studies, which seems due to its anti-inflammatory effects. However, the effects of heart rate reduction (HRR) of a beta 1-adrenoreceptor blocker on cardiovascular function and inflammatory pathways remain unclear. By using a pure heart rate-lowering drug, Ivabradine, in a polymicrobial septic shock model induced by CLP, we found isolated heart rate reduction 1) was not associated with any improvement in cardiac or vascular functions; 2) has no impact on circulating levels of TNF-a, IL-6 or IL-10; 3) had no influence in cardiovascular iNOS and NF-κB expression, P-akt/akt and P-eNOS/eNOS ratio and IκBα degradations in this acute setting. By using a beta 1-adrenergic blocker, Esmolol, in a polymicrobial septic shock model induced by CLP, we found that a low dose of Esmolol, which didn’t induce HRR, also 1) improved cardiac function evaluated by echocardiography and vasoreactivity tested by myograph; 2) beneficial effects were associated with the modulation of inflammatory pathways at both the systemic and the tissue levels. These results open up new perspectives in clinical treatment of septic shock with beta 1 adrenergic blockers

Ce travail reprend les études d’évaluation d’une plateforme instrumentale dédiée à la chirurgie mitrale mini-invasive vidéo-assistée, et du télémanipulateur Da Vinci pour la réalisation d’anastomose mammaire interne / IVA à thorax fermé.) Evaluation du Portaclamp. Cette étude clinique a porté sur 20 patients opérés de chirurgie cardiaque sous CEC et a confirmé la simplicité d’utilisation du système, son efficacité et l’absence de morbidité ou complication induite. L’étude chez le porc des effets histologiques sur la paroi de l’aorte des trois clamps (l’endo-clamp, le clamp Chitwood et le Portaclamp) a révélé une atteinte majeure de l’endothélium aortique induite par l’endo-clamp . 2) Evaluation du Portapleg. Le Portapleg est un dispositif auto-suturant de cardioplégie antérograde constitué d’un clip en Nitinol restant implanté sur l’aorte. Une étude sur 20 patients a été rapportée avec comme critère principal le temps de saignement du site de ponction après injection de protamine. Le système a montré son efficacité hémostatique dans tous les cas sans événement secondaire. 3) Evaluation du Mitrax’s. C’est un cône en plastique polymère auto ajustable et auto expansible, qui repousse de façon symétrique et concentrique les parois de l’oreillette. Une étude prospective de son efficacité a été réalisée chez 62 patients opérés de chirurgie mitrale vidéo-assistée de façon consécutive. L’indice de satisfaction a été en moyenne 4.6, témoin d’une exposition optimale de la valve mitrale avec une vision endoscopique ou directe de la valve mitrale jugée excellente. 4) Analyse comparative des techniques mini-invasives de revascularisation de l’IVA par pontage mammaire (Port Access, MIDCAB, TECAB). Cette étude prospective a porté sur 160 patients ; à trois mois, le taux de réintervention sur l’IVA était : PA-CABG, 0% ; MIDCAB, 1.8% ; TECAB, 10% ; p<0.01. A trois ans, les taux actuariels de survie sans réintervention étaient : PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05. / This thesis is based on the evaluation studies of an instrumental platform dedicated to video assisted minimally invasive mitral valve surgery, and of the robotic Da Vinci system in LAD bypass with mammary artery in a closed chest approach. 1) Evaluation of Portaclamp. In 20 patients who underwent cardiac surgery with Portaclamp, a clinical study showed that the clamping system is safe, fast and easy and does not generate undue morbidity. In a pig model, severe lesions of the intima were observed on the clamping spot with the endoclamp, in comparison with Portaclamp and Chitwood clamp. 2) Evaluation of Portapleg. Portapleg is an auto-suturing system dedicated to antegrade cardioplegia delivery, and based on a Nitinol clip left implanted on the aorta. In 20 patients, the closure of the puncture aortic hole and the haemostasis after protamine were obtained in all cases. The procedure did not generate undue morbidity and there was no device-related adverse event. 3) Evaluation of Mitrax’s. The Mitrax’s retractor is a pattern cut polymer sheet, self-expanding and auto-adjusting. The effectiveness of Mitrax’s was evaluated in 62 patients who consecutively underwent a video-assisted mitral valve procedure. The global satisfaction index was 4.6±0.5, demonstrating the effectiveness of the device which provides optimal exposure and excellent direct vision. 4) Comparative analysis of minimally invasive techniques for LAD revascularization with mammary artery graft (Port Access, MIDCAB, TECAB). In a prospective study, 160 patients were included. At 3-month postoperatively, the end-point of LAD reintervention were PA-CABG, 0%; MIDCAB, 1.8%; TECAB, 10%; p=0.01. At 3-year, reintervention-free survival was significantly lower in the TECAB group: PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05.

L'analyse quantitative de la fonction contractile myocardique constitue un enjeu majeur pour le dépistage, le traitement et le suivi des maladies cardiovasculaires, première cause de mortalité dans les pays développés. Dans ce contexte, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) s'impose comme une modalité privilégiée pour l'exploration dynamique du coeur, renseignant, d'une part, sur l'évolution des parois (ciné IRM), et permettant, d'autre part, d'accéder à des informations cinématiques au sein du myocarde (IRM de marquage). L'exploitation quantitative de ces données est néanmoins actuellement limitée par la quasi-absence de méthodologies fiables, robustes et reproductibles d'estimation de mouvement non rigide à partir de séquences d'images acquises dans cette modalité. Cette thèse se propose de démontrer que les techniques de recalage non rigide statistique constituent un cadre approprié pour l'estimation des déformations myocardiques en IRM, leur quantification à des fins diagnostiques, et leur modélisation en vue d'établir une référence numérique de normalité. <br /><br />Ses contributions concernent :<br />- l'élaboration d'une méthode robuste non supervisée d'estimation des déplacements myocardiques à partir de séquences d'IRM de marquage. Elle permet l'obtention de mesures de mouvement fiables en tout point du myocarde, à tout instant du cycle cardiaque et sous incidence de coupe arbitraire.<br />- le développement d'un outil de quantification dynamique des déformations à l'échelle du pixel et du segment myocardique, intégrant une étape de segmentation automatique du coeur par recalage d'images ciné IRM acquises conjointement aux données de marquage. Pour le coeur sain, la comparaison des mesures obtenues à des valeurs de référence issues d'une synthèse approfondie de la littérature médicale démontre une excellente corrélation. Pour des coeurs pathologiques, les expériences menées ont montré la pertinence d'une analyse quantitative multiparamétrique pour localiser et caractériser les zones atteintes.<br />- la construction d'un modèle statistique (atlas) de contraction d'un coeur sain. Cet atlas fournit des modèles quantitatifs de référence locaux et segmentaires pour les paramètres de déformation. Son intégration, en tant que modèle de mouvement, au processus de recalage des données d'IRM de marquage conduit en outre à une description très compacte des déplacements myocardiques sans perte de précision notable.