The sensitive and specific detection of biomolecular interactions is at the heart of many routine analyses in fundamental research, medical diagnosis and environmental monitoring. In contrast to laborious and costly multiwell plate assays, recent years have witnessed a significant progress in miniaturized and integrated biosensors, such as surface plasmon resonance (SPR), tailored to these applications. While the design of various SPR biosensors has been described in literature, a robust, multichannel, low-cost and highly sensitive solution has not yet been presented. Specifically, an integrated system that can allow surface functionalization in array format, low-volume multichannel fluidic interfacing, and increased sensitivity is sought. This thesis describes a novel electro-wetting-on-dielectric (EWOD) digital microfluidic device with integrated nanostructured biosensor interface that addresses the aforementioned issues for enhanced surface plasmon resonance imaging (SPRi) detection. We have taken the opportunity of the most recent advances in microfabrication, nanotechnology and SPR technique to develop this integrated platform. / EWOD device is employed for the dynamic immobilization of bioreceptors on SPRi biosensor surface in an array fashion from sub-µL volume solutions. Programmable EWOD electric interface allows the application of an electric field at the biosensor surface for active control of the immobilized probe density and orientation, enhancing SPRi detection. Two-dimensional SPRi detection is achieved by coupling the EWOD device to SPRi instrumentation. Parallel manipulation of individual droplets allows more efficient exploitation of the biosensor surface by separating different samples for simultaneous and selective SPRi detection. Periodic gold structures (nanoposts, nanogratings and nanogrooves) residing on a surface of glass and plastic substrates are investigated to improve the SPRi sensitivity. The corresponding electromagnetic field enhancements lead to up to a five-fold increase in SPRi response and provide an order of magnitude improvement in the limit of detection. This optimized nanostructure design is integrated with the EWOD platform to increase the capability and enhance SPRi detection. The integrated platform is successfully employed for parallel detection of multiple DNA hybridization reactions in 90 nL droplets. More than a two-fold SPRi signal amplification is achieved within 15 min, while the detection time could be further reduced to 2 min for a simple "yes" or "no" answers for the presence of the target DNA in a sample. The proposed system holds a great potential for ultra-low volume, sensitive and rapid detection of biomolecules, such as DNA and proteins, for clinical diagnosis and other bioanalysis applications. / La détection sensible et spécifique des interactions biomoléculaires est au coeur de plusieurs analyses au niveau de la recherche fondamentale, du diagnostic médical et du contrôle de l'environnement. Les analyses conduites sur des plaques de multipuits sont généralement laborieuses et coûteuses. Pour remedier a ceci, ces dernières années ont été témoin d'un progrès significatif dans la production de biocapteurs miniaturisés et intégrés, tel que la résonance plasmonique de surface (SPR), conçus pour ces applications. Tandis que la conception du biocapteur de SPR a été bien décrite dans la littérature scientifique, une solution comprenant un multicanal peu coûteux et hautement sensible n'a pas été encore présentée. Spécifiquement, le système intégré recherché doit permettre la functionalization des surfaces dans le format de réseau, l'interface fluidique multicanale en petit volume et une augmentation de la sensibilité. Cette thèse décrit une nouvelle plateforme microfluidique numérique de l'Électro-mouillage-sur-diélectrique (EWOD) avec un biocapteur à interface nanostructureé intégrée qui aborde les critères mentionnés ci-dessus pour une meilleure détection de l'imagerie SPR (SPRi). Nous avons profité des récents progrès dans la microfabrication, la nanotechnologie et en la technique du SPR pour développer ce dispositif intégré. / La plateforme EWOD est utilisée pour l'immobilisation dynamique des biorécepteurs sur la surface du biocapteur de SPRi sous forme de réseau de solutions dont le volume est sous les µL. L'interface électrique programmable d'EWOD permet l'application d'un champ électrique sur la surface du biocapteur pour contrôler activement la densité et l'orientation des sondes immobilisées, augmentant ainsi la détection du SPRi. La détection bidimensionnelle de SPRi est réalisée en couplant le dispositif microfluidique d'EWOD à l'instrument SPRi. La mise en action d'EWOD manoeuvre en parallèle différentes gouttelettes pour une exploitation plus efficace de la surface du biocapteur, permettant la séparation de différents échantillons pour la detection simultanés et spécifique par SPRi. Des structures d'or périodiques (nanoposts, nanogratings et nanogrooves) qui se trouvent sur des surfaces en verre et des substrats en plastique sont étudiées pour améliorer la sensibilité de la détection de SPRi. Le perfectionnement du champ électromagnétique correspondant mène jusqu'à une augmentation quintuple de la réponse du SPRi et augmente d'un seul ordre de grandeur le perfectionnement de sensibilité. Finalement, la conception optimisée de nanostructure est intégrée avec la plate-forme d'EWOD pour augmenter les possibilités et améliorer l'interface de biocapteurs de SPRi. La plateforme intégrée est utilisée avec succès pour la détection parallèle de multiples réactions d'hybridation d'ADN dans des gouttelettes de 90 nL. Plus d'une amplification double du signal sont réalisées en seulement 15 minutes. La période de détection peut être encore réduite à minute 2 pour des réponses simples « oui » ou « non » pour la présence d'ADN dans un échantillon. Le système proposé a un grand potentiel pour la détection de petit volume, sensible et rapide, des biomolécules tels que l'ADN et les protéines pour le diagnostic clinique et d'autres

An ascending aortic aneurysm is an asymptomatic disease that, if left untreated, could lead to death through its eventual rupture. Current clinical management practices are based primarily on the monitoring of an aneurysm's growth, followed by surgical resection of the affected aortic segment when its diameter reaches 5 to 5.5 centimetres. Unfortunately, this method is based solely on clinical observations and is frequently inaccurate in predicting the risk of an imminent rupture. More sophisticated tools have been developed and do not depend on aneurysm size alone, but these have focused mostly on the distribution of stresses within an aneurismal aortic wall and do not give clinicians an estimate of the time to failure. / This present work incorporates the temporal aspect by examining the effects of fatigue on aortic wall properties, and adopts an energetics approach to evaluating the aorta's resistance to rupture. Tissue samples from porcine aortas were fatigued and were subjected to both biaxial and guillotine tests to assess stiffness and fracture toughness. The experiments indicate that both properties decreased according to a power function. After 1 000 000 loading cycles, the final/initial stiffness ratio dropped to 0.85, while its toughness counterpart fell to 0.80. / This work constitutes the first tentative steps towards the development of a clinical tool that can evaluate the fracture toughness of aneurismal aortic tissues and predict the temporal likelihood of aneurismal rupture. / L'anévrisme de l'aorte ascendante est une maladie asymptomatique. Sans traitement, un anévrisme peut se rompre, ce qui est fatal. Les pratiques cliniques actuelles reposent d'abord sur l'observation de la croissance de la taille de l'anévrisme qui est suivie de la résection chirurgicale de l'aorte lorsque son diamètre atteint 5 à 5,5 cm. Malheureusement, cette méthode est peu précise comme indicateur de risque de rupture et ne s'appuie que sur les observations cliniques pour justifier son application. Plusieurs outils de prédiction plus sophistiqués sont en voie de développement, mais les efforts récents se concentrent surtout sur la distribution des tensions au sein des parois anévrysmales, mais les résultats ne donnent aucune prédiction sur le délai avant que la résection soit nécessaire. / Ce travail incorpore l'aspect temporel en examinant l'effet de la fatigue sur les propriétés mécaniques des parois aortiques, tout en adoptant l'approche énergétique pour évaluer la résistance à la rupture du vaisseau. À cette fin, des échantillons de tissus d'aortes porcines sont étirés cycliquement. Leur rigidité et leur résistance à la rupture sont ensuite mesurées grâce aux tests biaxiaux et aux tests à la guillotine. Les résultats expérimentaux montrent une décroissance selon une loi de puissance. Après un million de cycles de tension, le rapport rigidité finale/rigidité initiale a baissé à 0,85, et celui de la résistance à la rupture a chuté jusqu'à 0,80. / Ce travail est une première étape dans le développement d'un outil clinique pour mesurer la résistance à la rupture des tissus aortiques anévrysmaux afin de prédire la probabilité d'une rupture sur une échelle de temps.

Non-thermal plasma surface modifications have become indispensable processing steps in various industry and research sectors. Applications range from semiconductor processing to biotechnology and recently, plasma medicine. Non-thermal plasma sources have the advantage that a number of electron-driven chemical reactions can be produced while maintaining the gas (heavy species) temperature low, thus enabling the treatment of temperature sensitive surfaces such as polymers, tissues and live cells. In the fields of biology and medicine, non-thermal plasmas have been primarily used for the deposition or modification of biocompatible polymers and for sterilization. Recently, non-thermal plasmas have been used to treat tissues and cells. A new field of research has emerged, Plasma Medicine, which studies the effects of non-thermal plasmas on cells and tissues for clinical applications. The Atmospheric Pressure Glow Discharge torch (APGD-t), a non-thermal plasma source, built in our laboratory was used to study the effects of non-thermal plasmas on mammalian cells. In its first application, we indirectly used the APGD-t to deposit a plasma-polymer on a glass surface and studied its effects on cultured cells. It was shown that the cells grew preferentially on the plasma-polymer, and their proliferation rate increased. The second application of the APGD-t was to further investigate previous observations of cell permeabilization obtained by plasma treatments and to apply non-thermal plasmas to cell transfection. It was demonstrated that the APGD-t is able to locally transfect adherent cells. We estimated the diameter of the pores created to be below 10 nm and that the pores remain open for less than 5 seconds. However, while investigating the mechanisms involved in cell transfection we observed that the use of higher gas flows in the negative controls (using the APGD-t but with the plasma turned off) also resulted in cell transfection. To further study this phenomena, we built a simple transfection device consisting of a straight glass capillary tube and a plastic support. Using three different gases and five different capillary diameters, we were able to relate the transfection efficiency to the dynamic pressure of the gas exiting the capillary tube. Finally, even though transfection of cells seem to depend more on the mechanical forces exerted by the gas flow than on the effects of the plasma, other applications of non-thermal plasma in the field of medicine are in development. However, published studies have focused on only the positive effects of non-thermal plasmas, neglecting the potentially induced adverse effects. Therefore, we studied if damage could be caused in cells following an indirect (APGD-t) or a direct (parallel electrodes DBD) plasma treatment. We found that a low power direct plasma treatment caused oxidative stress in HeLa cells. Both plasma sources were shown to produce DNA double-strand breaks but no lipid peroxidation. Also, the sequencing of plasma-treated naked plasmid DNA introduced in electrocompetent bacteria showed no evidence of mutations. / La modification de surfaces à l'aide de plasmas froids est devenue une étape indispensable dans plusieurs secteurs de l'industrie et de la recherche. Les applications découlant de ce procédé s'étendent de l'industrie des semi-conducteurs à la biotechnologie et, plus récemment, à la médecine par plasma. Les plasmas froids rendent possibles les réactions chimiques nécessitant de hauts niveaux d'énergie électronique tout en évitant le chauffage du gaz à de hautes températures. Dans les domaines de la biologie et de la médecine, les plasmas froids ont principalement été utilisés afin d'effectuer la déposition de polymère-plasma, de modifier les propriétés de surface de polymères biocompatibles, ainsi qu'à stériliser des surfaces sensibles à la chaleur. Plus récemment, un nouveau domaine de recherche est donc né : la médecine par plasma. Ce dernier étudie les effets des plasmas froids sur les cellules et les tissus et a pour objectif de développer de futures applications cliniques. L'Atmospheric Pressure Glow Discharge torch (APGD-t), une source à plasma froid assemblée dans notre laboratoire, a été utilisée afin d'étudier les effets des plasmas froids sur les cellules de mammifères. Dans un premier temps, l'APGD-t a été utilisée afin de déposer un polymère-plasma sur la surface d'une boîte de Pétri en Pyrex dans le but d'étudier l'effet de ce polymère-plasma sur une culture de cellules. Ces expérimentations ont démontré que les cellules croissaient préférentiellement sur le polymère-plasma et que leur prolifération semblait être plus rapide. Dans un deuxième temps, l'APGD-t a été utilisée afin d'approfondir des résultats préliminaires indiquant que la perméabilisation de cellules pouvait être obtenue suite à un traitement par plasma et ainsi tester l'hypothèse selon laquelle l'utilisation d'un plasma froid permet la transfection de cellules de mammifères. Il a été démontré que l'APGD-t est capable de transfecter localement des cellules adhérentes. Nous avons estimé le diamètre des pores créés comme étant plus petit que 10 nm et que ces pores se referment en moins de 5 secondes. Lors de l'étude plus approfondie des mécanismes impliqués dans la transfection cellulaire par plasma, nous avons observé que, dans les contrôles négatifs (en utilisant l'APGD-t, mais sans produire de plasma), l'utilisation d'un jet de gaz à un débit plus élevé permettait également d'obtenir la transfection localisée de cellules. Afin de pouvoir mieux caractériser ce phénomène, nous avons donc construit un appareil simple consistant en un capillaire rectiligne de verre fixé à un support en polymère. Les résultats obtenus, suite à l'utilisation de 3 gaz et de 5 diamètres de capillaires différents, nous ont permis de relier l'efficacité de la transfection à la pression dynamique du gaz calculée à la sortie du capillaire. Finalement, malgré le fait que la transfection de cellules semble davantage dépendre des forces mécaniques du jet de gaz que des espèces réactives présentes dans le plasma, d'autres applications des plasmas froids en médecine sont envisagées par différents groupes de recherche. Par contre, les études publiées à ce jour ne présentent que les côtés positifs des plasmas froids, négligeant donc les effets potentiellement négatifs inhérents à leurs applications. Nous avons donc étudié les dommages pouvant être produits par l'application des plasmas froids suivant un traitement par plasma indirect (APGD-t) et un traitement par plasma direct (décharge à barrière diélectrique (DBD) avec des électrodes parallèles). Nous avons démontré qu'un traitement par plasma direct de basse puissance cause un stress oxydatif aux cellules HeLa. Les deux sources à plasma ont causé des bris d'ADN double-brins, mais ne semblent pas oxyder les lipides des cellules. De plus, le séquençage d'un plasmide en solution traité par plasma et par la suite introduit dans des bactéries électro-compétentes n'a démontré aucun signe de mutations.

Protein identification via tandem mass spectrometry and database searching has become a powerful tool in high-throughput proteomics. However, many tandem mass spectra are noisy, are formed by poorly fragmented peptides, and do not result in peptide assignment. Furthermore, many 'high-quality' un-assigned spectra are discarded as noise when they contain sufficient information for an assignment. A novel method was developed to assess the quality of tandem mass spectra from a LC-QTOF instrument using multivariate classification techniques. Six mass spectral features were first evaluated for their ability to discriminate between 'low-' and 'high-quality' spectra. Next, features were used in combination with three classification methods to create an optimal discriminator. Individual spectra quality scores were determined for two datasets, allowing for the removal of 'low quality' spectra, and a focused database search on 'high quality' unassigned spectra. Using these methods it was possible to reduce data size by 43.2% with a loss of only 5% of 'high-quality' spectra, while increasing peptide identifications by over 6%.

This thesis describes a method to analyze proton magnetic resonance spectroscopy imaging (MRSI) of multiple sclerosis (MS) patients. Multiple sclerosis is a chronic disease of the central nervous system (CNS). MRSI can non-invasively measure the metabolites in the brains and is helpful in research of progression of MS. Conventional approaches to analyze MRSI data are either using region-of-interest (ROI) methods or averaging the resonance intensities over the whole study area. This thesis documents an approach to use all reliable resonance intensities in MRSI based on multivariate mixed effect statistical models for repeated measurement. We applied the method in a series of studies and demonstrated that the distribution of brain metabolites was different among MS patients in different disease phases. These studies also showed the correlations between the brain metabolites and clinical data such as disease duration and clinical disability.

Dynamic joint stiffness is an important property of the neuromuscular system used to control movement and stability of the body. Joint stiffness may be thought of as a combination of two physiological components: an intrinsic component encompassing the mechanical properties of the joint, muscle, and tissues, and a reflex component arising from muscle activation in response to stretch. The functional role of joint stiffness and reflex stiffness, in particular, during movement remains relatively unknown. Current stationary methods for system identification are not applicable, since the system properties are time-varying. This thesis examined time-varying, intrinsic and reflex dynamics of the human ankle joint during movement. A parallel-cascade algorithm was used in conjunction with ensemble techniques to identify joint dynamics as time-varying systems. The algorithm was validated using both simulated and experimental data. Experimental results suggest that reflexes are tonically inhibited, but modulate phasically to adapt to the functional requirements of a movement.

Automated quality control procedures are critical for efficiently obtaining precise quantitative brain imaging-based metrics of in vivo brain pathology. This is especially important for multi-centre clinical trials of therapeutics for multiple sclerosis, in which MRI-derived brain pathology metrics may be used to quantify therapeutic efficacy. Currently, a large number of QC procedures have been developed for scanner maintenance with the idea that optimal scanner performance should produce MRIs with acceptable image quality and, thus, limit the effect of brain pathology measurement errors on quantitative analyses like therapeutic efficacy. Unfortunately these procedures may not be applicable to real subject MRI scans where non-ideal conditions like subject motion during an acquisition exist. The goal of this thesis is to provide an automated QC procedure for brain MRIs acquired in multi-centre clinical trials for multiple sclerosis where image quality is evaluated directly from the acquired MRI itself. / Les procédures automatisées de contrôle de qualité (CQ) sont essentielles afin d'obtenir de manière efficace des mesures précises d'imagerie cérébrale fondées sur la pathologie du cerveau in vivo. Ceci est particulièrement important pour les essais cliniques multicentriques de produits thérapeutiques destinés aux maladies neurologiques, dont les mesures de pathologie cérébrale dérivées des IRMs peuvent être utilisées pour quantifier l'efficacité thérapeutique. Présentement, la littérature met l'accent sur les procédures de CQ pour l'entretien des scanners, en supposant que ce bon entretien du scanner d'IRM produirait une qualité d'image acceptable et, par conséquent, limiterait les erreurs de mesures sur les analyses quantitatives, comme l'efficacité thérapeutique. Malheureusement, ces procédures peuvent ne pas être applicables sur des scans de sujets réels où des conditions non-idéals seraient présents, comme le mouvement du sujet lors d'une prise. L'objectif de cette thèse est de fournir une procédure automatisée de CQ pour les IRM cérébrales acquises lors de plusieurs essais cliniques sur la sclérose en plaques, où la qualité de l'image est évaluée directement à partir de l'IRM elle-même. Cette procédure a été testée, validée et appliquée dans l'industrie.

It is generally believed that voice overuse and abuse may eventually lead to a number of voice disorders. The link between mechanical stresses in vocal fold tissue and vocal fold damage, however, has not yet clearly been established. One key factor is often hypothesized to be the contact pressure associated with impact between the vocal folds during voicing. Studies of the contact pressure on the medial surface of the vocal folds are scarce. The objective of the present study was to estimate contact pressure in human subjects using high-speed videoendoscopy. The edge velocity of the vocal folds was estimated from the analysis of consecutive digital images. The edge velocity before and after contact, along with ad hoc approximate values for contact area and vocal fold mass, allowed the contact pressure to be estimated from the impulse momentum form of Newton's second law. The results were verified through comparisons with directly measured values in a silicone model. Investigations were carried out in human subjects to compare the contact pressure from high-speed videoendoscopy with contact pressure measured directly using a miniature probe microphone. The contact pressure values estimated from high-speed video were between 600 Pa and 9200 Pa. The values from the probe microphone were between 250 Pa and 800 Pa. The probe microphone values were significantly lower than those from high-speed video. The discrepancies are believed to be mainly due to interference between the probe and the vocal fold motion. Further work is needed to assess the accuracy of quantitative contact pressure estimations from videoendoscopy. / La sur-utilisation et l'abus de la voix peuvent mener à des problèmes qui nécessitent des soins cliniques. Les forces dues à l'impact des cordes vocales durant leurs oscillations sont assumées être très importantes dans la formation et la propagation de lésions. Aucun lien direct n'a encore été établi entre les contraintes mécaniques associées à l'impact entre les cordes vocales et les problèmes pathologiques. Le but de cette étude est l'estimation des contraintes mécaniques dues à l'impact entre les cordes vocales lors de la phonation à l'aide d'une caméra vidéo-endoscopique. La vitesse en bordure des cordes vocales a été estimée à partir d'une analyse d'images. La vitesse des cordes vocales ainsi que des valeurs estimées de la masse et de la surface de contact ont permis de calculer la pression sur la surface. Les résultats ont été vérifiés à l'aide d'une comparaison avec les mesures obtenues à l'aide d'une sonde dans une modèle auto-oscillant en silicone. Une série d'expériences a été effectuée sur des sujets humains. Le mouvement des cordes vocales a été enregistré avec une caméra vidéo-endoscopique pour estimer les contraintes d'impacts. Une sonde a été insérée entre les cordes vocales des sujets humains durant la phonation pour une mesure directe. Les valeurs de contraintes d'impacts estimées par l'analyse des images étaient entre 600 Pa et 9200 Pa. Les valeurs obtenues par mesure directe étaient entre 250 Pa et 800 Pa. Cette sous-estimation est due à l'effet de la sonde sur l'oscillation des cordes vocales. De plus amples vérifications sont nécessaires afin d'évaluer le potentiel de cette méthode à des fins cliniques.

Analysis of resting–state (RS) functional networks is a new concept in neuroimaging, which consists in studying slow fluctuations of hemodynamic activity. These fluctuations can be evaluated using the blood-oxygen-level dependent (BOLD) signal measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI). Studies have demonstrated that these patterns are organized in space and highly reproducible from subject to subject: the so-called consistent RS networks (RSNs). Assuming that RS activity of patients with epilepsy is affected even when no epileptic activity is observed, the objective of the study is to propose a methodology to identify potential abnormal individual-level networks of patients with epilepsy and to investigate whether the identification of these RSNs could be of some clinical relevance. To do so, we have developed a technique to detect "aberrant" RSNs, as outliers from consistent RSNs extracted from a healthy control population. The identification of RSNs at a group and individual levels was obtained using a spatial clustering technique, the so-called Bootstrap Analysis of Stable Clusters (BASC) (Bellec, Rosa-Neto et al. 2010), which is a statistical framework assessing the stability of the RSNs at the group and at the individual level. Based on the results of BASC, we developed a method to identify, for each patient, the outlier RSNs that statistically differ from the consistent RSNs of the healthy population, thus suggesting the occurrence of aberrant networks.The proposed detection method was evaluated using simulated data (real RS fMRI data on which we added random signals and structured signals at different signal to noise ratio levels) in an attempt to assess its performance and limitations. We demonstrated that the proposed method was highly robust to random noise interference and sensitive to correlated variations between brain structures. Therefore, the proposed method seems promising for future clinical investigation of neurological disorders or drug testing by identifying functionally aberrant networks. This complementary information regarding the abnormal interactions between specific brain regions and other functional network could provide relevant information regarding the extent of a disease. / L'analyse de réseaux fonctionnels au repos est un concept récent en neuroimagerie qui consiste en l'étude de fluctuations lentes d'activité hémodynamique. Ces fluctuations peuvent être observées grâce au signal BOLD (Blood oxygenation level dependant) provenant de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Plusieurs études ont démontré l'existence d'une organisation spatiale de ces fluctuations lentes, et que cette organisation est hautement reproductible d'un sujet à l'autre: cette organisation spatiale est représentée sous forme de réseaux fonctionnels appelés "consistent resting state networks" (CRSNs). En supposant que l'activité cérébrale d'un sujet épileptique au repos est affectée même pendant les périodes où aucune activité épileptique n'est observée, l'objectif de cette étude propose une méthodologie pour identifier des réseaux fonctionnels potentiellement anormaux au niveau individuel et déterminer si ces derniers peuvent avoir un intérêt clinique. Pour ce faire, nous avons développé une technique de détection de réseaux fonctionnels anormaux en état de repos en partant de l'hypothèse qu'ils diffèrent radicalement des réseaux identifiés chez une population contrôle de sujets sains. L'identification des réseaux fonctionnels au niveau du groupe ou au niveau individuel a été obtenue par une technique de classification spatiale dénommée "Bootstrap Analysis of Stable Clusters" (BASC) (Bellec, Rosa-Neto et al. 2010), un outil d'analyse statistique de réseaux fonctionnels fournissant une mesure de stabilité des différents réseaux identifiés tant au niveau du groupe qu'au niveau individuel. En nous basant sur les résultats fournis par BASC, nous avons développé une méthode d'identification des réseaux aberrants (divergeant significativement de ceux identifiés chez notre population de contrôle) et ce pour chaque patient. La méthode de détection a été évaluée sur des données simulées (de vraies données IRMf acquises durant une période de repos, auxquelles sont ajoutés des signaux aléatoires ou structurés ayant différents rapports signal sur bruit) afin de d'estimer les limitations et performances de la méthode. Nous avons démontré que cette méthode est hautement robuste aux interférences provenant de bruit aléatoire et sensible aux variations de corrélation entre différentes structures cérébrales. De ce fait, la méthode proposée semble prometteuse pour de futures investigations cliniques portant sur des maladies neurologiques ou sur l'impact de certains médicaments sur les réseaux fonctionnels. La méthode permettrait d'identifier les régions dépeignant une organisation fonctionnelle aberrante par rapport à ce qui est identifié au sein d'une population de sujets contrôle. Cette information complémentaire, portant sur l'interaction anormale de certaines régions du cerveau avec d'autres réseaux fonctionnels, pourrait fournir une piste intéressante en ce qui a trait à l'étendue spatiale de la maladie.

Cardiovascular diseases are one of the major causes of death, particularly in the Western world. The main cause of this mortality is myocardial infarction (MI) followed by congestive heart failure. Most of these patients undergo bypass surgery or angioplasty followed by stenting to improve blood supply and oxygenation. Although stents are excellent in providing clinical benefits, they have serious disadvantages resulting in limited biocompatibility, thrombosis, and in-stent restenosis (ISR). On the other side, despite the promising early results with stem cell based myocardial therapy, harvesting and delivering autologous cells from elderly patients still poses logistic, economic, and timing constraints resulting in sub-optimal effects. This thesis aims to: 1) formulate superior cardiac implants for effective myocardial therapy using microencapsulated genetically modified xenogeneic adipose tissue derived mesenchymal stem cells and 2) develop a new bioactive intravascular stent using baculovirus vector-containing polymeric microspheres impregnated on a polymeric stent surface to inhibit ISR. First, the thesis aims to develop suitable polymeric microcapsules for efficient myocardial transplantation of adipose stem cells. The preparation procedure, the structural and physical characteristics of the microcapsules were investigated and compared with earlier established microcapsule systems. Studies were performed in animal models with acute MI to evaluate the in vivo potential. Results show the feasibility of this system as a new class of therapeutic tool for cardiovascular applications which can enhance viable cell retention at transplant site, promote myocardial vasculogenesis, reduce scar area and attenuate progression of cardiac dysfunction. To further enhance the therapeutic efficacy, stem cells were genetically modified before microencapsulation with two newly developed nanohybrid gene delivery systems using angiogenic gene carrying insect cell-specific recombinant baculoviruses (Bac) and nanoparticles (NP). Taken together, the thesis highlights the advantages of using microencapsulated genetically modified stem cells and identifies Bac nanocomplexes as novel gene delivery systems with potential applications in direct gene therapy and combined stem cell-gene therapy.To achieve the second objective, the thesis attempts to enhance re-endothelialization of deployed stents while simultaneously inhibiting intimal hyperplasia by overexpression of VEGF angiogenic genes in the vasculature using novel baculovirus based stent. The prepared stents were characterized and optimized in vitro for favorable gene delivery procedure. Four months in vivo data from balloon denuded canine femoral artery confirmed the pre-clinical efficacy of the developed stent. Overall, this thesis highlights the immense potential of these therapeutic implants as the next generation of biomedical devices with wider applications in cardiovascular and related fields. Further studies will investigate their full potential for clinical trials. / Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité, particulièrement dans le monde occidental. L'infarctus du myocarde (IM) suivie par l'insuffisance cardiaque congestive représente les majeures causes de cette mortalité. La plupart de ces patients subissent une chirurgie de pontage ou une angioplastie, suivie par la mise en place d'un stent, afin d'améliorer l'oxygénation du sang et sa circulation. Bien que les stents fournissent des bénéfices cliniques excellents, ils sont associés à de nombreux inconvénients tels que, une moindre biocompatibilité, une thrombose, un blocage du stent et une resténose intrastent (ISR). Cette thèse à pour objectifs de: 1) formuler des implants cardiaques supérieurs pour une thérapie myocardique efficace en utilisant des cellules souches mésenchymateuses - dérivées de tissus adipeux xénogéniques génétiquement modifiés - micro-encapsulées et 2) développer de nouveaux stents bioactifs intra-vasculaires en utilisant des stents polymériques dont la surface soit imprégnée de microsphères polymériques contenant un vecteur baculovirus afin d'inhiber l'ISR. En ce qui concerne la thérapie du myocarde, cette thèse a pour objectif de développer des systèmes de délivrance de microcapsules adaptés pour une délivrance de cellules souches efficace. La procédure de préparation, les caractéristiques structurelles et physiques des capsules, y compris la stabilité mécanique, la libération contrôlée, le stockage à long terme, la nature immuno-protectrice ont été étudiés et comparés aux systèmes de microcapsules établis antérieurement. Des études ont été réalisées sur des modèles animaux atteints d'IM aigu pour évaluer le potentiel in vivo. Les résultats ont montré la faisabilité de ce système en tant que nouvel outil thérapeutique pour des applications cardiovasculaires. Ce système permet d'améliorer la rétention de cellules viables au niveau du site de transplantation, de promouvoir la vasculogénèse myocardique, de réduire la surface des cicatrices et d'atténuer la progression de la dysfonction cardiaque. De plus, deux nouveaux nano-complexes pour la délivrance de gènes ont été développés en utilisant des baculovirus recombinants issus de cellules d'invertébrés spécifiques (Bac) hybridés à des nanoparticules (NP) et NPs de dendrimères polycationiques. Ainsi, cette thèse souligne les avantages de l'utilisation de cellules souches micro-encapsulées qui expriment des protéines angiogéniques fonctionnellement actives. Ceci a des implications dans la réparation du myocarde. De plus, la thèse identifie les nano-complexes Bac comme de nouveaux systèmes de délivrance de gènes avec des applications potentielles en thérapie génique directe et thérapie génique combinée aux cellules souches.Afin d'atteindre le second objectif, la thèse vise à améliorer la ré-endothélialisation des stents déployés en inhibant simultanément l'hyperpasie intimale par la surexpression du VEGF dans le système vasculaire en utilisant de nouveaux stents à élution du gène Bac. Pour cela, des Bac revêtus de dendrimères ont été formulés dans des microsphères polymériques dégradables pour éviter l'inactivation du sérum et permettre une libération contrôlée. Ils ont été intégrés couche par couche à la surface de stents hydrogels revêtus de fibrine pour une délivrance locale de gènes au site de déploiement. Les stents préparés ont été caractérisés et optimisés in vitro pour une procédure de délivrance de gènes appropriée. Quatre mois de données in vivo de l'artère fémorale canine dénudée par un ballon ont confirmé l'efficacité préclinique du stent développé. Pour conclure, cette thèse met en évidence l'immense potentiel de ces implants thérapeutiques comme la prochaine génération de dispositifs biomédicaux avec des applications dans les domaines cardiovasculaires et apparentés. D'autres études seront effectuées pour déterminer leur efficacité clinique.