Since integrity and functions of vascular endothelial cells are greatly affected by shear stress, a variety of in vitro systems to subject endothelial cells under precisely controlled fluid conditions has been developed. Complicated designs of the conventional flow devices, however, have impeded such implementation. In the present study, we designed and developed a novel parallel-plate flow chamber (PPFC). It consists of multiple layers of different materials to adjust the required geometries of the chamber and provide a wide span of biomedical research applications. Because the chamber stacks separate layers to constitute the flow channel, different pieces can be easily removed or replaced. Moreover, the multilayer design only requires 2D cutting, which is easier and faster to manufacture. It is also capable of accepting up to four glass slides facing each other so that the flow within the channel is exclusively formed by endothelial cells. Furthermore, it minimizes the pressure loss across the chamber while maximizing the effective area of endothelial cells up to 96 cm2. Results from mathematical analysis and dye injection experiments showed that a uniform magnitude of shear stress is applied throughout the entire surface of endothelial cells. In addition, the morphological changes and attenuated gene expression of pro-inflammatory mediators were observed in endothelial cells exposed to the physiologically relevant shear stress. These findings indicate that our newly designed PPFC can provide a better in vitro system for versatile applications of biomedical research. The reperfusion of blood flow occurred in a number of conditions such as stroke and organ transplantation immensely augments tissue injury and can cause more severe damage than prolonged ischemia. The injuries caused by cessation and reperfusion of blood flow are closely related to the inflammatory reactions involving in endothelium-leukocyte cascade responding to a shear stress exerted by the flow. Shear stress is also known to play an important role in human chronic diseases including atherosclerosis, neurological disorders, and cancer metastasis. Therefore, it is important to investigate the transmission of mechanical stimuli such as shear stress to various complex endothelial cell signaling pathways which process as a whole is often referred as mechanotransduction. Shear stress-mediated signaling pathways have been known to trigger endothelial cell responses and contribute to the pathophysiology of human vascular diseases. The present study was designed to apply the novel PPFC to biomedical research, especially ischemia/reperfusion injury. The changes in mRNA and protein expression of inflammatory mediators in endothelial cells were analyzed by real-time reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), respectively. RBE4 and HMEC-1 cells were either maintained in continuous laminar flow condition (Normal Flow) or subjected to 1 h of flow cessation followed by reperfusion of flow (Ischemia/Reperfusion) for 24 h. Ischemia/Reperfusion significantly up-regulated expression of inflammatory mediators, such as IL-6, MCP-1, ICAM-1, VCAM-1, and E-selectin, in microvascular endothelial cells. Furthermore, antioxidant pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC) significantly attenuated ischemia/reperfusion-induced overexpression of pro-inflammatory mediators. These data indicates that our newly designed PPFC provide a better in vitro system for versatile applications of biomedical research. / Master of Science

Surface interactions and reactivity are of critical importance in current biomedical technologies, for example, satisfactory cell attachment and long term viability are essential for optimal in vitro tissue culture and for successful implantation and stability of cardiovascular medical implants such as stents and grafts. To achieve this, the control of fundamental forces and the resulting molecular interactions between the relevant surface and absorbing or adhering species in the physiological system is compulsory. This work utilised the surface modification technique of Ultra-Violet/ Ozone to improve the polystyrene biocompatibility by oxidising the surface with additional polar oxygen functional groups without damaging the surface bulk property. UV/Ozone treatment utilised throughout this study produced controllable oxygen functional groups and led to an increase in surface atomic oxygen level to 41% on unwashed and 35% on washed polystyrene surfaces, washing resulted in the removal of low molecular weight oxidised materials. Surface energy was increased by the addition of oxygen functional groups with the combination of alcohol (C-OR), carbonyl (C=O) and carboxyl (O-C=O); Saturation state was reached after 300s of UV/Ozone treatment where no more oxygen functionalities were incorporated to the surface. Moreover, UV/ozone treatment did not show an effect on the surface roughness studied by atomic force microscopy. The biological responses of human endothelial umbilical vein cells (HUVECs) were studied at the different level of UV/Ozone treated surfaces. HUVEC adhesion, proliferation and migration were significantly improved by the treatment compared to untreated and tissue cultures plastics (TCPs). Among the levels of UV/ozone treatment studied, 120s and 180s were found to be the most effective and HUVEC proliferation did not seem to be affected by the high level of oxygen. Similarly, the surface oxygen level did not affect the migration over UV/Ozone treated over 60s. Hypoxic condition significantly increased HUVECs migration on UV/Ozone treated, TCPs and untreated surfaces compared to normoxia, the oxygen rich surface did not favour to HUVECs that underwent regulatory process to enable the cells to increase migration. Under laminar flow conditions, HUVECs did not only grow, proliferate and migrate but also showed standard responses on UV/Ozone treated polystyrene surface. A decrease in cell size was observed at all shear stress intensities studied (1 dyn/cm2, 9 dyn/cm2 and 25 dyn/cm2) and the decrease was more obvious at higher shear stress. High shear stress intensity also induced high cell turnovers, which may be related to air bubbles induced at high flow rate. The overall findings of this study clearly illustrate that UV/Ozone surface treatment can be applied on polystyrene to improve human endothelial cells functionalities in term of adhesion, proliferation and migration in both static and laminar flow environment.

Aneurysms are a deadly asymptomatic cardiovascular disease that may occur especially where there are bends and bifurcations in the cerebral vasculature. A region where these features are especially prominent is the Circle of Willis (COW) in the brain, where aneurysms are known to occur. In the carotid artery, which feeds into the COW, the Reynolds number of blood flow is typically around 200-500. Even with such a low Reynolds number, turbulent-like flow, or tortuous flow, can occur due to bends, bifurcations and highly pulsatile flow which lower the effective Reynolds number where tortuous flow can occur. Highly pulsatile flow is unsteady flow that is high in magnitude and changes over time. Endothelial cells (ECs) line the inner wall of the blood vessel and experience the friction force of blood flow. This work is focused on designing a device that can expose ECs to forces they would undergo in an aneurysm-susceptible site. This is accomplished by exposing ECs to physiologically relevant Wall Shear Stress (WSS) and vibrations simultaneously. Vibrations in the body occur due to flow separation at the vessel wall, which leads to pressure changes. These pressure changes induce vibrations onto ECs. The fluid flow in the designed Parallel Plate Flow Chamber (PPFC) is laminar to induce a predictable WSS onto the cells, while the vibrations will induce a rapid cyclical force to simulate pressure fluctuations that may occur in vivo. The aneurysm-susceptible flow will simulate a more turbulent-like flow in the carotid artery; higher maximum WSS (around 2.2 Pa) with vibrations. The aneurysm-protective flow will have a lower WSS maximum (around 0.5 Pa). The PPFC, made of polycarbonate, is small and light enough to be conveniently vibrated using an electromagnetic vibration stage. The PPFC can be driven by a syringe or peristaltic pump, allowing for either steady or transient waveforms. The PPFC’s fluid domain will not change upon vibration, isolating the effect of vibration on the cells. Also, two side-by-side glass slide slots were included to allow for both protein and mRNA quantification from the same experiment, increasing experimental efficiency and flow-related consistency between the two cell areas. Simulations using ANSYS Fluent verified the flow field and WSS waveform on the cells for the designed geometry for 3D and 2D cases, as well as verified equal WSS values throughout all areas of ECs. Then, Particle Image Velocimetry (PIV) was done to verify the predicted flow rate in the machined PPFC given a steady flow rate driven by a syringe pump. Preliminary cell experiments were performed in an incubator under flow and vibration conditions to demonstrate cell survivability.

Due to the fact that bone cells are highly responsive to mechanical stimuli, shear stress has been extensively studied for its ability to enhance osteogenic differentiation through mechanotransduction. In addition, thermal stress has also been explored as a conditioning method to stimulate cellular proliferation, differentiation, and cytoprotection through heat shock protein induction. Despite the beneficial effects observed with individual stress on cells, there has been little focus on the potential of a combination of stresses to improve cellular response. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect of combined shear and thermal stress on preosteoblasts to stimulate an enhanced osteogenic response. To achieve this, MC3T3-E1 cells were exposed to one of the following protocols for an hour: no stress (control), shear stress at 1 dyne/cm2 using a parallel plate flow chamber, thermal stress in a 42°C incubator, or combined shear and thermal stress (1 dyne/cm2 at 42°C). Stress treatments were applied on Day 2, Day 6, and Day 10. To assess the early response of cells to stress treatments, we measured metabolic activity, expression of signaling factors, and HSPs following stress on Day 2. Despite an initial decrease in metabolism, combined stress stimulated a strong response in VEGF (12.49 RFI) COX-2 (12.32 RFI), HSPs (2-4 RFI) and increased PGE accumulation. The long-term cellular response to stress treatments was measured on Day 15 by evaluating the ability of combined stress to stimulate late stage markers of differentiation. Combined stress increased OPN gene and protein expression, yet OCN was minimally affected by stress treatments. However, mineralization was significantly decreased with combined stress. Overall, combined stress was able to stimulate an enhanced effect across a majority of the bone-related markers measured, whereas individual shear stress or thermal stress were limited in their response. This suggests that combined stress can provide the appropriate cues to modify osteoblast differentiation and generate an enhanced osteogenic response. / Master of Science

L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurelles. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 - anti ICAM-1 pouvait être modifié en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence.L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence et en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et bivalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules.Les expériences d'adhésions ont été effectuées en variant la topographie du substrat pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Pour interpréter ces résultats, un modèle qui prend en compte la zone de contact réel devrait être construit à partir des images AFM des échantillons.Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un minimum de temps est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, la simulation numérique prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, réduisant fortement la valeur de koff pour une bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. / Cell adhesion is a fundamental biological process mediated by specific molecular bonds formed by ligands and receptors attached to surfaces. Formation and rupture of these bonds depend on kinetic, mechanical and structural factors. The goal of this work was to observe how the ICAM-1 – anti ICAM-1 interaction can be modified by playing i) on the multivalency of molecules involved in the bond ii) on the topography of surface and iii) on the mobility of ligands. The main technique used for this purpose was the laminar flow chamber, completed by single-particle tracking in fluorescence.The study on multivalency effects, using monomeric and dimeric ICAM-1, was performed in absence and presence of mechanical force, showing the higher stability of divalent bonds. Also, a force- and time- strengthening dependence was found and described with a two-parameter function, showing, for divalent bonds, an intermediate behaviour between parallel and subsequent rupture of bonds. The adhesion frequency of monovalent and divalent bonds exhibit different values accounted by difference in length of these molecules.Adhesion experiments were performed varying the topography of the substrate for the investigated molecules. A comparison of bond kinetics on these surfaces did not show differences either in attachment or in rupture. To interpret these results, a model which takes into account the real contact area should be built from the AFM images of the samples.In the flow, the contact time between molecules is controlled by convection of microspheres. Recent results show that there is a minimal time required to form the bond (Robert et al. 2011). To test this prediction, ligands were anchored to supported lipid bilayer (SLB) to investigate how the diffusion can modify the adhesion. Experimentally, the adhesion frequencies of the bonds showed similar behaviour for fixed and fluid SLB. While, numerical simulation predicted an effect on bond formation even at low ligand diffusion. The diffusion seemed to play a role in bond dissociation, strongly reducing the value of koff for fluid bilayer. This effect can be explained by the possible presence of multiple bonds due to ligand accumulation on the contact area.

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre. / The biofilms, mainly composed of micro-organisms and exopolymers, develop themself on nonsterile wet surfaces. They are of considerable importance in many industrial and environmental applications, among which biofilters used in water treatment. The strong interaction between the flow and the biofilm development in this type of processes returns very difficult their modelling without drastic progress in the comprehension of phenomena appearing on various scales (biofilm, pore, biofilter). This thesis aims to bring a better comprehension of the mechanisms which control the biofilm growth on a local scale. A flow chamber characterized by a laminar flow profile was developed to allow the in-situ observation and the analysis of cell adhesion, detachment and the growth of P. putida bacteria under sheared flow. The results also showed that the growth kinetics measured in batch was not applied, for low Reynolds number in the case of a biomass fixed to solid support and subjected to a shear stress. The study revealed also, as already shown before in certain research tasks, the biofilms organization in response to the sheared flow. The technique of 3d-reconstruction developed and implemented in complement to the direct optical microscopy allowed a better interpretation of global biofilm architecture and have explained how the microstructure can influence the biofilm friction toward fluid flow. We have simulated the distribution of the local velocity profiles in biofilm microstructure and our estimation of permeability has highlighed the importance of local distribution of biomass in this parameter.

Les mécanismes adhésifs jouent un rôle crucial en biologie. Les cadhérines classiques constituent une des principales familles d'adhésion cellulaire dépendante du calcium. Ces glycoprotéines transmembranaires sont impliquées dans des interactions principalement homophiles. Ces interactions régulent des voies de signalisation impliquées dans de nombreux phénomènes biologiques. Cette thèse porte sur l'étude comparative des dynamiques d'interactions des cadhérines E- et -11, prototypes respectivement des cadhérines classiques de type I et II. Le ciblage d'acides aminés particuliers de l'interface adhésive nous a permis de montrer que pour les cadhérines de type I, l'échange de brin avec le Trp2 ont un rôle clé ; pour les types II un mécanisme différent intervient. Nous avons aussi développé une chimie innovante pour contrôler l'immobilisation orientée et covalente de protéines. Enfin une revue décrit une étude de l'activation de voies de signalisation par engagement des cadhérines. / Cell adhesion receptors of the classical cadherin family are involved in Ca2+-dependent homophilic interactions. In order to dissect the molecular mechanisms of cadherin-based cellcell adhesion, this Ph.D. thesis describes a comparative dynamic study of interactions between cadherins E- & -11, chosen as classical type I and II cadherins prototypes respectively. Modifications of particular residues in the E-cadherin adhesive interface showed that the ?-strand exchange with its Trp2 had a prominent feature; for type II cadherins, a different mechanism was described involving a larger domain swapping. We then developed a new protocol for immobilizing proteins in an orientated and covalent manner on surfaces. These interactions regulate signalization pathways in various biological processes. Studies describing Stat3 activation through direct cadherin engagement are reviewed.

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À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.