Le choc cardiogénique (CC) est un état d’hypoperfusion critique des organes cibles causé par une dysfonction profonde du myocarde. Cette situation dangereuse et dynamique nécessite des interventions rapides de la part d'une équipe multidisciplinaire pour sauver la vie du patient, mais le risque de décès demeure encore très élevé́. Actuellement, l’utilité des dispositifs d’assistance ventriculaire percutanés (DAVp) pour traiter le CC n’est pas suffisamment étudiée. Concevoir un modèle artificiel de CC pourrait faciliter la compréhension du CC ainsi que le développement de nouveaux DAVp. Au cours de ce projet, nous nous sommes premièrement intéressés au sujet en synthétisant les données cliniques sur l’utilisation des DAVp dans un contexte de CC compliquant un infarctus du myocarde (IM-CC) sous forme de revues systématiques. Par la suite, nous avons conçu un projet expérimental visant à démontrer la faisabilité d’un modèle animal stable d’IM-CC en induisant par méthode percutanée un infarctus étendu de la paroi antérieure in vivo chez le porc qui pourrait être utilisé pour fournir des données physiologiques supportant la création d’un modèle artificiel d’haute-fidélité. L’état de CC stable a été confirmé par une combinaison de données hémodynamiques et de laboratoire et l’ampleur de l’infarctus a été validée par des techniques de coloration ex vivo. Ayant atteint notre objectif primaire de ≥50% de survie suite à l’infarctus et l’induction d’un état de CC chez 50% des cochons, nous concluons que notre modèle animal est suffisamment stable pour procéder à la prochaine étape de notre programme. / Cardiogenic shock (CS) is a state of critical end-organ hypoperfusion resulting from profound myocardial dysfunction that is both dangerous and dynamic and requires rapid, coordinated multidisciplinary care in order to prevent mortality. However, despite appropriate medical management, the risk of early mortality remains high. Percutaneous mechanical support devices (pMCS) offer the promise of correcting pump dysfunction, but their clinical utility in CS remains debated and understudied. Developing a reliable synthetic model of CC could both improve our understanding of CS and accelerate the development of the next generation of pMCS devices. In this work, we first present the results of two systematic reviews of the comparative effectiveness of currently available pMCS devices in the setting of post-acute myocardial infarction CS (AMI-CS). We then sought to demonstrate the feasibility of creating a stable animal model of AMI-CS by inducing an anterior myocardial infarction in vivo in a pig in order to generate the physiologic data required to develop a high-fidelity three-dimensional AMI-CS simulator. The CS state was confirmed by a combination of hemodynamic and laboratory data and the size of the infarct was confirmed thereafter by ex vivo staining techniques. We achieved our primary goal of ≥50% short-term survival post-infarction and induction of a CS state in 50% and therefore conclude that our model is sufficiently stable to warrant proceeding with the next phase of our program

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

En février, 2009 un rapport de PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmait que plus de 300 médicaments pour le traitement des maladies cardiaques étaient en phase d’essais cliniques ou en révision par les agences règlementaires. Malgré cette abondance de nouvelles thérapies cardiovasculaires, le nombre de nouveaux médicaments approuvés chaque année (toutes indications confondues) est en déclin avec seulement 17 et 24 nouveaux médicaments approuvés en 2007 et 2008, respectivement. Seulement 1 médicament sur 5000 sera approuvé après 10 à 15 ans de développement au coût moyen de 800 millions $. De nombreuses initiatives ont été lancées par les agences règlementaires afin d’augmenter le taux de succès lors du développement des nouveaux médicaments mais les résultats tardent. Cette stagnation est attribuée au manque d’efficacité du nouveau médicament dans bien des cas mais les évaluations d’innocuité remportent la palme des causes d’arrêt de développement. Primum non nocere, la maxime d’Hippocrate, père de la médecine, demeure d’actualité en développement préclinique et clinique des médicaments. Environ 3% des médicaments approuvés au cours des 20 dernières années ont, par la suite, été retirés du marché suite à l’identification d’effets adverses. Les effets adverses cardiovasculaires représentent la plus fréquente cause d’arrêt de développement ou de retrait de médicament (27%) suivi par les effets sur le système nerveux. Après avoir défini le contexte des évaluations de pharmacologie de sécurité et l’utilisation des bio-marqueurs, nous avons validé des modèles d’évaluation de l’innocuité des nouveaux médicaments sur les systèmes cardiovasculaires, respiratoires et nerveux. Évoluant parmi les contraintes et les défis des programmes de développements des médicaments, nous avons évalué l’efficacité et l’innocuité de l’oxytocine (OT), un peptide endogène à des fins thérapeutiques. L’OT, une hormone historiquement associée à la reproduction, a démontré la capacité d’induire la différentiation in vitro de lignées cellulaires (P19) mais aussi de cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes battants. Ces observations nous ont amené à considérer l’utilisation de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Afin d’arriver à cet objectif ultime, nous avons d’abord évalué la pharmacocinétique de l’OT dans un modèle de rat anesthésié. Ces études ont mis en évidence des caractéristiques uniques de l’OT dont une courte demi-vie et un profil pharmacocinétique non-linéaire en relation avec la dose administrée. Ensuite, nous avons évalué les effets cardiovasculaires de l’OT sur des animaux sains de différentes espèces. En recherche préclinique, l’utilisation de plusieurs espèces ainsi que de différents états (conscients et anesthésiés) est reconnue comme étant une des meilleures approches afin d’accroître la valeur prédictive des résultats obtenus chez les animaux à la réponse chez l’humain. Des modèles de rats anesthésiés et éveillés, de chiens anesthésiés et éveillés et de singes éveillés avec suivi cardiovasculaire par télémétrie ont été utilisés. L’OT s’est avéré être un agent ayant d’importants effets hémodynamiques présentant une réponse variable selon l’état (anesthésié ou éveillé), la dose, le mode d’administration (bolus ou infusion) et l’espèce utilisée. Ces études nous ont permis d’établir les doses et régimes de traitement n’ayant pas d’effets cardiovasculaires adverses et pouvant être utilisées dans le cadre des études d’efficacité subséquentes. Un modèle porcin d’infarctus du myocarde avec reperfusion a été utilisé afin d’évaluer les effets de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Dans le cadre d’un projet pilote, l’infusion continue d’OT initiée immédiatement au moment de la reperfusion coronarienne a induit des effets cardiovasculaires adverses chez tous les animaux traités incluant une réduction de la fraction de raccourcissement ventriculaire gauche et une aggravation de la cardiomyopathie dilatée suite à l’infarctus. Considérant ces observations, l’approche thérapeutique fût révisée afin d’éviter le traitement pendant la période d’inflammation aigüe considérée maximale autour du 3ième jour suite à l’ischémie. Lorsqu’initié 8 jours après l’ischémie myocardique, l’infusion d’OT a engendré des effets adverses chez les animaux ayant des niveaux endogènes d’OT élevés. Par ailleurs, aucun effet adverse (amélioration non-significative) ne fût observé chez les animaux ayant un faible niveau endogène d’OT. Chez les animaux du groupe placebo, une tendance à observer une meilleure récupération chez ceux ayant des niveaux endogènes initiaux élevés fût notée. Bien que la taille de la zone ischémique à risque soit comparable à celle rencontrée chez les patients atteints d’infarctus, l’utilisation d’animaux juvéniles et l’absence de maladies coronariennes sont des limitations importantes du modèle porcin utilisé. Le potentiel de l’OT pour le traitement de l’infarctus du myocarde demeure mais nos résultats suggèrent qu’une administration systémique à titre de thérapie de remplacement de l’OT devrait être considérée en fonction du niveau endogène. De plus amples évaluations de la sécurité du traitement avec l’OT dans des modèles animaux d’infarctus du myocarde seront nécessaires avant de considérer l’utilisation d’OT dans une population de patients atteint d’un infarctus du myocarde. En contre partie, les niveaux endogènes d’OT pourraient posséder une valeur pronostique et des études cliniques à cet égard pourraient être d’intérêt. / In february 2009, a report from PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmed that more than 300 drugs for treatment of cardiovascular diseases were in clinical trials or under review by regulatory agencies. Despite the abundance of new cardiovascular therapies, the number of new drugs approved each year (all indications combined) is declining steadily with only 17 and 24 new drugs approved in 2007 and 2008, respectively. Only 1 drug out of 5000 candidates will be approved after 10 to 15 years of development with an average cost of $800 millions. Several initiatives have been launched by regulatory agencies to increase the success rate in drug development but results are still awaited. This stagnation is attributed to the lack of efficacy of several drug candidates but safety assessments are the leading cause of drug development discontinuation. Primum non nocere, the maxim from Hippocrate, father of medicine, remains of major relevance in preclinical and clinical drug development. Over the past 20 years, approximately 3% of approved drugs were subsequently withdrawn from the market due to adverse effects. Cardiovascular adverse effects represent the most frequent cause of drug development discontinuation or withdrawal (27%) followed by effects on the nervous system. After defining the context of safety pharmacology evaluations and the use of biomarkers in drug development, we validated safety pharmacology models to investigate drug-induced cardiovascular, respiratory and neurological effects. As we progressed within constraints and challenges of drug development, we evaluated the efficacy and safety of oxytocin, an endogenous peptide with therapeutic potential. Oxytocin (OT), a hormone historically associated with reproduction, demonstrated the ability to induce in vitro differentiation of cell lines (P19) but also embryonic stem cells into beating cardiomyocytes. These observations lead us to consider the use of OT as a treatment for myocardial infarct. To achieve this ultimate goal, we first evaluated the pharmacokinetic of OT in an anesthetized rat model. These investigations highlighted the unique characteristics of OT including a very short half-life and a non-linear pharmacokinetic profile in response to the dose. Cardiovascular effects of OT in healthy animals were then evaluated in various species. In preclinical research, the use of various animal species and state of consciousness (conscious or anesthetized) is recognized as one of the best strategies to increase the predictive value of results obtained in animals to the human response. Our initial investigations of OT treatment regimens used various animal models including conscious and anesthetized rats, anesthetized pigs, conscious dogs with indirect blood pressure monitoring and diuresis and conscious monkeys with cardiovascular telemetry monitoring. These studies confirmed OT to have significant hemodynamic effects with variable responses depending on the state of consciousness (conscious or anesthetized), the dose, the administration protocol (bolus or infusion) and the species that were used. These screening studies enabled selection of a treatment regimen and dose without adverse effects that could subsequently be tested in efficacy studies. A porcine myocardial infarct (MI) model with reperfusion was used to evaluate the effects of OT following myocardial ischemia. In a pilot project, continuous infusion of OT initiated immediately at coronary reperfusion induced cardiovascular adverse effects in all treated animals including a reduction of left ventricular fraction shortening and worsening of dilated cardiomyopathy which is typical following MI. Considering these observations, the therapeutic strategy was revised to avoid OT treatment during the inflammatory phase which was considered maximal around day 3 post-ischemia. When initiated 8 days after MI, OT infusion induced adverse effects in animals with elevated endogenous levels of OT. In contrast, no significant effects (not statistically significant improvement) were observed in animals with low endogenous OT baseline. In placebo treated animals, a trend to observe a better recovery was noted in animals with high endogenous OT baseline. While the size of the ischemic zone was comparable to human patients with MI, the use of juvenile animals and the absence of coronary disease are important limitations of the porcine model. The potential of OT for treatment of MI remains but our results suggest that systemic administration of OT by continuous infusion as part of a replacement therapy should be investigated further in relation to endogenous levels. Further investigations on safety of the treatment with OT on animal MI models are warranted before the use of OT can be considered in the patient population after myocardial infarct. On the other hand, endogenous levels of OT may have a prognostic value and clinical trials to investigate this hypothesis may be of interest.

La cardiomyopathie ischémique et l’insuffisance cardiaque (IC) sont deux des principales causes de morbidité et de mortalité dans les pays industrialisés. L’IC représente la condition finale résultant de plusieurs pathologies affectant le myocarde. Au Canada, plus de 400 000 personnes souffrent d’IC. Malgré la grande variété de traitements disponibles pour prendre en charge ces patients à haut risque de mortalité, l’évolution et le pronostic clinique de cette population demeurent sombres. Les thérapies de régénération par transplantation cellulaire représentent de nouvelles approches pour traiter les patients souffrant d’IC. L’impact de cette approche cellulaire et les mécanismes qui sous-tendent l’application de ce nouveau mode de traitement demeurent obscurs. Les hypothèses proposées dans cette thèse sont les suivantes : 1) l’évolution à long terme des patients qui se présentent en IC grave est nettement défavorable malgré les techniques actuelles de revascularisation chirurgicale à cœur battant; 2) la thérapie cellulaire et, plus spécifiquement, l’injection intracoronaire précoce de milieu de culture cellulaire, permet d’améliorer la récupération fonctionnelle du ventricule gauche suite à un infarctus aigu du myocarde; et 3) la mobilisation de l’axe cœur-moelle osseuse constitue un mécanisme de réponse important lors de la survenue d’un événement ischémique chronique affectant le myocarde. / Congestive heart failure (CHF) remains a leading cause of mortality in the developed world. There are more than 400,000 diagnosed cases of this pathology in Canada. Despite the numerous treatment options available for patients presenting with left ventricular dysfunction, the evolution of this population is still dismal. Stem cell transplantation is a potential approach to repopulate the injured myocardium, to treat heart failure, and to restore cardiac function. However, the exact mechanisms underlying the beneficial effects of this approach remain to be elucidated. The hypotheses of this thesis are the following: 1) the long-term evolution of patients undergoing coronary artery bypass graft surgery is still poor, even when considering the use of new innovative surgical strategies such as off-pump coronary revascularization; 2) the intracoronary injection of concentrated biologically active factors secreted by stem cells can achieve early protection of the ischemic myocardium and preserve heart function; and 3) the bone marrow/heart interaction in a critical axis is involved in chronic myocardial repair following persistent ischemic injury.

Thèse en cotutelle avec Université de Nantes - Pays de La Loire - France (2005-2010) / Les maladies cardio-vasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. L’hypertrophie cardiaque est un processus de remodelage provoqué par une surcharge de travail du muscle cardiaque afin de mieux répondre à la demande de l’organisme. Bien que bénéfique à court terme, une hypertrophie trop accentuée conduira à long terme, à une insuffisance cardiaque. L’hypertrophie est associée à un remodelage électrique qui conduit généralement à un allongement du potentiel d’action, une des causes des arythmies ventriculaires et de la mort subite. Généralement, le mécanisme causal est la fibrillation ventriculaire, un trouble du rythme irréversible dont les mécanismes sont complexes et méconnus. Si les conséquences fonctionnelles in vitro des mutations génétiques ou du remodelage ionique sont relativement simples à étudier ou à prévoir, leur rôle dans les mécanismes des troubles du rythme in vivo sont plus difficiles à appréhender. Parmi les nombreux modèles animaux développés pour la recherche sur les troubles du rythme, la souris est de plus en plus utilisée en raison de notre capacité à muter, invalider ou sur-exprimer les gènes d'intérêt chez ces animaux. L'objectif de mon travail de thèse était de mieux comprendre le rôle des canaux ioniques en physiopathologie cardiaque, en particulier dans la survenue des troubles du rythme in vivo. Ces travaux ont permis d'améliorer notre connaissance du rôle des anomalies génétiques impliquant des canaux ioniques et du remodelage ionique dans la physiopathologie des troubles du rythme et pourrait ainsi ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement anti-remodelage cardiaque et la prévention de la mort subite. / Cardiovascular disease is the leading cause of death in the world each year. If no action is taken to improve cardiovascular health and current trends continue, WHO estimates that 25% more healthy life years will be lost to cardiovascular disease globally by 2020. Cardiac hypertrophy is the consequence of an excessive workload of the heart muscle leading to cardiac remodeling process. As the workload increases, the ventricular walls grow thicker, lose elasticity and eventually may fail to pump with as much force as a healthy heart. Furthermore, hypertrophied myocardium is not physiologically normal and may confer a predisposition to potentially fatal arrhythmias. Generally, the causal mechanism is ventricular fibrillation, a cardiac rhythm disorder which is irreversible but the pathophysiological mechanisms are complex and poorly understood. The functional consequences of mutations or ionic remodeling are relatively simple to study in vitro, but their role in the pathophysiology of arrhythmias in vivo is more difficult to grasp. Among the different animal models developed in cardiac arrhythmias research, the mouse is increasingly used because of our ability to mutate, knock-out or over-express genes of interest. The objective of my thesis was to study the role of ion channels in physiology as well as cardiac pathophysiology, particularly in the involvement of the occurrence of cardiac arrhythmias in vivo. This thesis will improve our understanding of the role of genetic abnormalities involving ionic remodeling in the pathogenesis of the heart and may also open new therapeutic perspectives in the treatment of cardiac remodeling as well as sudden cardiac death.

Contexte L’occlusion d’une artère du cœur cause un syndrome coronarien aigu (SCA) soit avec une élévation du segment ST (IAMEST) ou sans élévation du segment ST (1). Le traitement des patients avec un IAMEST requiert soit une intervention coronarienne d’urgence (ICP primaire) ou une thérapie fibrinolytique (FL). La thérapie FL peut être administrée soit dans un contexte pré-hospitalier (PHL) ou à l’hôpital. Une prise en charge précoce des patients avec SCA peut être améliorée par un simple indice de risque. Objectifs Les objectifs de cette thèse étaient de : 1) comparer l’ICP primaire et la thérapie FL (2); décrire plusieurs systèmes internationaux de PHL; (3) développer et valider un indice de risque simplifié pour une stratification précoce des patients avec SCA. Méthodes Nous complétons des méta-analyses, de type hiérarchique Bayésiennes portant sur l’effet de la randomisation, d’études randomisées et observationnelles; complétons également un sondage sur des systèmes internationaux de PHL; développons et validons un nouvel indice de risque pour ACS (le C-ACS). Résultats Dans les études observationnelles, l’ICP primaire, comparée à la thérapie FL, est associée à une plus grande réduction de la mortalité à court-terme; mais ce sans bénéfices concluants à long terme. La FL pré-hospitalière peut être administrée par des professionnels de la santé possédant diverses expertises. Le C-ACS a des bonnes propriétés discriminatoires et pourrait être utilisé dans la stratification des patients avec SCA. Conclusion Nous avons comblé plusieurs lacunes importantes au niveau de la connaissance actuelle. Cette thèse de doctorat contribuera à améliorer l’accès à des soins de qualité élevée pour les patients ayant un SCA. / Background Acute occlusion of an artery of the heart results in acute coronary syndromes (ACS), either with ST-segment elevation (STEMI) or without ST-segment elevation (1). STEMI requires urgent treatment to restore coronary artery flow either by primary percutaneous coronary intervention (PCI) or fibrinolytic therapy (FL) (2). Although several randomized controlled trials (RCTs) demonstrate the superiority of primary PCI in reducing mortality compared to FL (2), the benefit of primary PCI over FL remains uncertain in unselected “real-life” patients (3,4). FL can be administered either in the pre-hospital setting (i.e., pre-hospital FL (PHL)) or at the hospital. PHL is rarely available outside Europe (5,6). Insights into the organization of PHL systems of care may promote more widespread use of PHL. Risk stratification of ACS patients should be prompt to ensure timely PCI for high-risk patients and to avoid unnecessary intervention in low-risk patients (7). Despite the availability of numerous ACS risk scores, there is still no simple risk score that can be easily applied in the initial management of ACS patients (8). Objectives The objectives of this doctoral dissertation were to address these current knowledge gaps in the optimal management of ACS. The objectives were to: 1) evaluate the efficacy, effectiveness, and safety of primary PCI and FL, (2) describe the infrastructure, processes and outcomes of several international PHL systems; and (3) develop and validate a novel clinical risk score for early risk stratification of ACS patients. Methods To address these objectives, I completed Bayesian hierarchical random-effects meta-analyses of published RCTs and observational studies which compare primary PCI and FL in patients with STEMI. I undertook a survey of the infrastructure, processes and outcomes of PHL in several European and North American pre-hospital emergency systems. Finally, I developed and validated an ACS risk score called the Canadian ACS (C-ACS). Results Primary PCI was superior to FL in reducing short-term mortality in RCTs and observational studies. However, the long-term survival benefit of primary PCI was noted only in RCTs, and not in the observational studies. PHL can be effectively delivered by health care professionals with variable levels of expertise. The new risk score, C-ACS, has good discriminant properties for short- and long-term mortality in patients with ACS. Conclusions The first manuscript of this dissertation has been recognized as one of the most valuable recent publications in STEMI management and has contributed to reorganization of STEMI care in Ontario. The other two manuscripts in this dissertation provide practical information and tools for health professionals caring for patients with ACS. In summary, this doctoral dissertation has and will continue to contribute to improve access to high quality care for patients with ACS.

Il est reconnu que la protéine filamenteuse intermédiaire Nestine est exprimée lors du processus de cicatrisation et du remodelage fibrotique. De plus, nous avons identifié l’expression de la Nestine au sein de deux populations distinctes qui sont directement impliquées dans les réponses de fibroses réparative et réactive. Ainsi, une population de cellules souches neurales progénitrices résidentes du coeur de rat adulte exprime la Nestine et a été identifiée à titre de substrat de l’angiogenèse et de la neurogenèse cardiaque. Également, la Nestine est exprimée par les myofibroblastes cicatriciels cardiaques et il a été établi que la protéine filamenteuse intermédiaire joue un rôle dans la prolifération de ces cellules. Ainsi, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les évènements cellulaires impliqués dans la réponse neurogénique des cellules souches neurales progénitrices résidentes cardiaques Nestine(+) (CSNPRCN(+)) lors de la fibrose réparative cardiaque et d’explorer si l’apparition de fibroblastes Nestine(+) est associée avec la réponse de fibrose réactive secondaire du remodelage pulmonaire. Une première publication nous a permis d’établir qu’il existe une régulation à la hausse de l’expression de la GAP43 (growth associated protein 43) et que cet événement transitoire précède l’acquisition d’un phénotype neuronal par les CSNPRCN(+) lors du processus de cicatrisation cardiaque chez le rat ayant subi un infarctus du myocarde. De plus, la surimposition de la condition diabétique de type 1, via l’injection unique de Streptozotocine chez le rat, abolit la réponse neurogénique des CSNPRCN(+), qui est normalement induite à la suite de l’ischémie cardiaque ou de l’administration de 6-hydroxydopamine. Le second article a démontré que le développement aigu de la fibrose pulmonaire secondaire de l’infarctus du myocarde chez le rat est associé avec une augmentation de l’expression protéique de la Nestine et de l’apparition de myofibroblastes pulmonaires Nestine(+). Également, le traitement de fibroblastes pulmonaires avec des facteurs de croissances peptidiques pro-fibrotiques a augmenté l’expression de la Nestine par ces cellules. Enfin, le développement initial de la condition diabétique de type 1 chez le rat est associé avec une absence de fibrose réactive pulmonaire et à une réduction significative des niveaux protéiques et d’ARN messager de la Nestine pulmonaire. Finalement, la troisième étude représentait quant à elle un prolongement de la deuxième étude et a alors examiné le remodelage pulmonaire chronique chez un modèle établi d’hypertension pulmonaire. Ainsi, les poumons de rats adultes mâles soumis à l’hypoxie hypobarique durant 3 semaines présentent un remodelage vasculaire, une fibrose réactive et une augmentation des niveaux d’ARN messager et de la protéine Nestine. De plus, nos résultats ont démontré que la Nestine, plutôt que l’alpha-actine du muscle lisse, est un marqueur plus approprié des diverses populations de fibroblastes pulmonaires activés. Également, nos données suggèrent que les fibroblastes pulmonaires activés proviendraient en partie de fibroblastes résidents, ainsi que des processus de transition épithélio-mésenchymateuse et de transition endothélio-mésenchymateuse. Collectivement, ces études ont démontré que des populations distinctes de cellules Nestine(+) jouent un rôle majeur dans la fibrose réparative cardiaque et la fibrose réactive pulmonaire. / It is well established that the intermediate filamentous protein Nestin is expressed during wound healing and fibrotic remodeling. Furthermore, we have identified Nestin expression in two distinct populations directly implicated in reparative and reactive fibrosis. The adult rodent heart contains a resident population of neural progenitor/stem cells that express Nestin and identified as a cellular substrate of cardiac angiogenesis and neurogenesis. Moreover, Nestin is also expressed in cardiac scar myofibroblasts and the intermediate filament protein plays a direct role in proliferation. Thus, the general aim of the present thesis was to better understand the cellular events implicated in the neurogenic response of neural progenitor/stem cells during cardiac reparative fibrosis and to explore whether the appearance of Nestin(+)-fibroblasts was associated with reactive fibrotic response secondary to pulmonary remodeling. The first study revealed that the transient upregulation of growth associated protein 43 (GAP43) represents a transition event during the acquisition of a neuronal-like phenotype by cardiac resident neural progenitor/stem cells in the scar of the infarcted rat heart. Furthermore, the superimposition of a type 1 diabetic environment, via the single injection of streptozotocin in rats, abrogated the neurogenic response of cardiac resident neural progenitor/stem cells to ischemia and 6-hydroxydopamine, respectively. The second study has demonstrated that the development of acute pulmonary fibrosis secondary to myocardial infarction of the adult rat heart was associated with the increased expression of Nestin protein levels and appearance of Nestin(+)-myofibroblasts. Furthermore, the treatment of pulmonary fibroblasts with putative pro-fibrotic peptide growth factors increased Nestin protein levels. Lastly, in the lungs of type 1 diabetic rats, the absence of a reactive fibrotic response was associated with a significant downregulation of Nestin protein/mRNA levels. Finally, the third study represented an extension of the second study and examined chronic lung remodeling in an established model of pulmonary hypertension. The lungs of adult male rats subjected to 3 weeks of hypobaric hypoxia were associated with vascular remodeling, reactive fibrosis and increased Nestin protein and mRNA levels. Moreover, Nestin, rather than smooth muscle α-actin expression was identified as a more relevant marker of activated pulmonary fibroblasts. Furthermore, the appearance of activated pulmonary fibroblasts may be derived in part from resident fibroblasts and secondary to endothelial-mesenchymal transition and epithelial-mesenchymal transition. Collectively, these studies have demonstrated that distinct populations of Nestin-expressing cells play a seminal role in cardiac reparative fibrosis and pulmonary reactive fibrosis.

La première partie de cette thèse porte sur l'étude du no-reflow ou obstruction microvasculaire en IRM cardiaque. Dans une première étude, nous avons mesuré l'incidence du no-reflow dans une population de 25 patients pris en charge pour infarctus du myocarde sans sus-décalage du segment ST. Nous avons trouvé que 32% de ces patients présentaient un no-reflow et que la présence de no-reflow était associée à une taille d'infarctus significativement plus importante ainsi qu'une élévation plus importante des enzymes cardiaques. Dans une deuxième étude nous avons comparé la performance diagnostique du myocardial blush grade (MBG) pour le diagnostic du no-reflow avec l'IRM cardiaque sur les séquences de rehaussement tardif post-gadolinium. Cette étude a été réalisée dans une population de 39 patients pris en charge pour un premier épisode de STEMI. Nous avons trouvé que le MBG sous-estimait la présence de no-reflow à la phase aiguë de l'infarctus après reperfusion optimale en comparaison avec l'IRM. La deuxième partie de cette thèse concerne la quantification de l'infarctus du myocarde en IRM cardiaque de rehaussement tardif post-gadolinium. Nous avons comparé une technique d'évaluation semi-quantitative visuelle rapide avec la planimétrie manuelle classique sur une population de 103 patients pris en charge pour syndrome coronarien aigu. La taille de l'infarctus était évaluée par ces deux méthodes en IRM cardiaque réalisée 4 jours après admission. Nous avons trouvé une excellente corrélation et un bon niveau de concordance entre les deux méthodes d'évaluation de la taille d'infarctus, avec des temps de posttraitements beaucoup plus courts pour l'analyse visuelle rapide. Enfin, la troisième partie de cette thèse aborde le sujet de l'utilisation de l'IRM cardiaque comme outil de mesure dans les essais thérapeutiques sur la reperfusion myocardique. Nous avons utilisé l'IRM cardiaque pour évaluer l'efficacité de l'utilisation de la cyclosporine A à la phase aigüe de l'infarctus reperfusé et son effet sur remodelage ventriculaire à 6 mois. Dans cette étude 28 patients ont été étudiés en IRM cardiaque 5 jours et 6 mois après un infarctus du myocarde. Nous avons trouvé une persistance de la réduction significative de 23% de taille de l'infarctus à 6 mois dans le groupe traité par cyclosporine par rapport au groupe contrôle. Il n'y avait pas d'effet négatif de la cyclosporine A sur le processus de remodelage ventriculaire gauche / We assessed the presence and extent of microvascular obstruction (MVO) and its relationship with infarct size and left ventricular (LV) functional parameters after acute non-ST elevated myocardial infarction (NSTEMI). 25 patients with first acute NSTEMI underwent a complete cardio magnetic resonance (CMR) study 72 hours after admission. MO was detected in 32% of patients and was significantly associated with a larger infarct size. There were no significant difference between both groups for the LV functional parameters but patients with MO showed a higher troponin-I and CK release. We studied the relation between Myocardial Blush Grade (MBG) and gadolinium-enhanced CMR for the assessment of MVO in 39 patients with acute ST elevated myocardial infarction (STEMI) treated by primary PCI. No statistical relation was found between MBG and MVO extent at CMR (p=0.63). MBG underestimates MVO after an optimal revascularization in AMI compared to CMR.We compared the performance and post-processing time of a global visual scoring method to standard quantitative planimetry and we compared both methods to the peak values of myocardial biomarkers. 103 patients admitted with reperfused AMI to our intensive care unit had a complete CMR study 4±2 days after admission. There was an excellent correlation between quantitative planimetry and visual global scoring for the hyperenhancement extent’s measurement (r=0.94; y=1.093x+0.87; SEE=1.2; P<0.001) and there was also a good concordance between the two approaches with significantly shorter mean post-processing time for the visual scoring method. There was also significant levels of correlation between the enzymatic peak values and the visual global scoring method. The visual global scoring method allows a rapid and accurate assessment of the myocardial global delayed enhancement. This study examined the effect of a single dose of cyclosporine A used at the time of reperfusion, on LV remodeling and function by cardiac magnetic resonance (CMR) in the early days and 6 months after AMI.28 patients of the original cyclosporine A study had an acute (day 5) and a follow-up (6 months) CMR study. There was a persistent 23% reduction of the absolute infarct size at 6 months without any dementrial effect in the cyclosporine A group compared with the control group of patients. Cyclosporine A used at the moment of AMI reperfusion persistently reduces infarct size and does not have a detrimental effect on LV remodeling

En février, 2009 un rapport de PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmait que plus de 300 médicaments pour le traitement des maladies cardiaques étaient en phase d’essais cliniques ou en révision par les agences règlementaires. Malgré cette abondance de nouvelles thérapies cardiovasculaires, le nombre de nouveaux médicaments approuvés chaque année (toutes indications confondues) est en déclin avec seulement 17 et 24 nouveaux médicaments approuvés en 2007 et 2008, respectivement. Seulement 1 médicament sur 5000 sera approuvé après 10 à 15 ans de développement au coût moyen de 800 millions $. De nombreuses initiatives ont été lancées par les agences règlementaires afin d’augmenter le taux de succès lors du développement des nouveaux médicaments mais les résultats tardent. Cette stagnation est attribuée au manque d’efficacité du nouveau médicament dans bien des cas mais les évaluations d’innocuité remportent la palme des causes d’arrêt de développement. Primum non nocere, la maxime d’Hippocrate, père de la médecine, demeure d’actualité en développement préclinique et clinique des médicaments. Environ 3% des médicaments approuvés au cours des 20 dernières années ont, par la suite, été retirés du marché suite à l’identification d’effets adverses. Les effets adverses cardiovasculaires représentent la plus fréquente cause d’arrêt de développement ou de retrait de médicament (27%) suivi par les effets sur le système nerveux. Après avoir défini le contexte des évaluations de pharmacologie de sécurité et l’utilisation des bio-marqueurs, nous avons validé des modèles d’évaluation de l’innocuité des nouveaux médicaments sur les systèmes cardiovasculaires, respiratoires et nerveux. Évoluant parmi les contraintes et les défis des programmes de développements des médicaments, nous avons évalué l’efficacité et l’innocuité de l’oxytocine (OT), un peptide endogène à des fins thérapeutiques. L’OT, une hormone historiquement associée à la reproduction, a démontré la capacité d’induire la différentiation in vitro de lignées cellulaires (P19) mais aussi de cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes battants. Ces observations nous ont amené à considérer l’utilisation de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Afin d’arriver à cet objectif ultime, nous avons d’abord évalué la pharmacocinétique de l’OT dans un modèle de rat anesthésié. Ces études ont mis en évidence des caractéristiques uniques de l’OT dont une courte demi-vie et un profil pharmacocinétique non-linéaire en relation avec la dose administrée. Ensuite, nous avons évalué les effets cardiovasculaires de l’OT sur des animaux sains de différentes espèces. En recherche préclinique, l’utilisation de plusieurs espèces ainsi que de différents états (conscients et anesthésiés) est reconnue comme étant une des meilleures approches afin d’accroître la valeur prédictive des résultats obtenus chez les animaux à la réponse chez l’humain. Des modèles de rats anesthésiés et éveillés, de chiens anesthésiés et éveillés et de singes éveillés avec suivi cardiovasculaire par télémétrie ont été utilisés. L’OT s’est avéré être un agent ayant d’importants effets hémodynamiques présentant une réponse variable selon l’état (anesthésié ou éveillé), la dose, le mode d’administration (bolus ou infusion) et l’espèce utilisée. Ces études nous ont permis d’établir les doses et régimes de traitement n’ayant pas d’effets cardiovasculaires adverses et pouvant être utilisées dans le cadre des études d’efficacité subséquentes. Un modèle porcin d’infarctus du myocarde avec reperfusion a été utilisé afin d’évaluer les effets de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Dans le cadre d’un projet pilote, l’infusion continue d’OT initiée immédiatement au moment de la reperfusion coronarienne a induit des effets cardiovasculaires adverses chez tous les animaux traités incluant une réduction de la fraction de raccourcissement ventriculaire gauche et une aggravation de la cardiomyopathie dilatée suite à l’infarctus. Considérant ces observations, l’approche thérapeutique fût révisée afin d’éviter le traitement pendant la période d’inflammation aigüe considérée maximale autour du 3ième jour suite à l’ischémie. Lorsqu’initié 8 jours après l’ischémie myocardique, l’infusion d’OT a engendré des effets adverses chez les animaux ayant des niveaux endogènes d’OT élevés. Par ailleurs, aucun effet adverse (amélioration non-significative) ne fût observé chez les animaux ayant un faible niveau endogène d’OT. Chez les animaux du groupe placebo, une tendance à observer une meilleure récupération chez ceux ayant des niveaux endogènes initiaux élevés fût notée. Bien que la taille de la zone ischémique à risque soit comparable à celle rencontrée chez les patients atteints d’infarctus, l’utilisation d’animaux juvéniles et l’absence de maladies coronariennes sont des limitations importantes du modèle porcin utilisé. Le potentiel de l’OT pour le traitement de l’infarctus du myocarde demeure mais nos résultats suggèrent qu’une administration systémique à titre de thérapie de remplacement de l’OT devrait être considérée en fonction du niveau endogène. De plus amples évaluations de la sécurité du traitement avec l’OT dans des modèles animaux d’infarctus du myocarde seront nécessaires avant de considérer l’utilisation d’OT dans une population de patients atteint d’un infarctus du myocarde. En contre partie, les niveaux endogènes d’OT pourraient posséder une valeur pronostique et des études cliniques à cet égard pourraient être d’intérêt. / In february 2009, a report from PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmed that more than 300 drugs for treatment of cardiovascular diseases were in clinical trials or under review by regulatory agencies. Despite the abundance of new cardiovascular therapies, the number of new drugs approved each year (all indications combined) is declining steadily with only 17 and 24 new drugs approved in 2007 and 2008, respectively. Only 1 drug out of 5000 candidates will be approved after 10 to 15 years of development with an average cost of $800 millions. Several initiatives have been launched by regulatory agencies to increase the success rate in drug development but results are still awaited. This stagnation is attributed to the lack of efficacy of several drug candidates but safety assessments are the leading cause of drug development discontinuation. Primum non nocere, the maxim from Hippocrate, father of medicine, remains of major relevance in preclinical and clinical drug development. Over the past 20 years, approximately 3% of approved drugs were subsequently withdrawn from the market due to adverse effects. Cardiovascular adverse effects represent the most frequent cause of drug development discontinuation or withdrawal (27%) followed by effects on the nervous system. After defining the context of safety pharmacology evaluations and the use of biomarkers in drug development, we validated safety pharmacology models to investigate drug-induced cardiovascular, respiratory and neurological effects. As we progressed within constraints and challenges of drug development, we evaluated the efficacy and safety of oxytocin, an endogenous peptide with therapeutic potential. Oxytocin (OT), a hormone historically associated with reproduction, demonstrated the ability to induce in vitro differentiation of cell lines (P19) but also embryonic stem cells into beating cardiomyocytes. These observations lead us to consider the use of OT as a treatment for myocardial infarct. To achieve this ultimate goal, we first evaluated the pharmacokinetic of OT in an anesthetized rat model. These investigations highlighted the unique characteristics of OT including a very short half-life and a non-linear pharmacokinetic profile in response to the dose. Cardiovascular effects of OT in healthy animals were then evaluated in various species. In preclinical research, the use of various animal species and state of consciousness (conscious or anesthetized) is recognized as one of the best strategies to increase the predictive value of results obtained in animals to the human response. Our initial investigations of OT treatment regimens used various animal models including conscious and anesthetized rats, anesthetized pigs, conscious dogs with indirect blood pressure monitoring and diuresis and conscious monkeys with cardiovascular telemetry monitoring. These studies confirmed OT to have significant hemodynamic effects with variable responses depending on the state of consciousness (conscious or anesthetized), the dose, the administration protocol (bolus or infusion) and the species that were used. These screening studies enabled selection of a treatment regimen and dose without adverse effects that could subsequently be tested in efficacy studies. A porcine myocardial infarct (MI) model with reperfusion was used to evaluate the effects of OT following myocardial ischemia. In a pilot project, continuous infusion of OT initiated immediately at coronary reperfusion induced cardiovascular adverse effects in all treated animals including a reduction of left ventricular fraction shortening and worsening of dilated cardiomyopathy which is typical following MI. Considering these observations, the therapeutic strategy was revised to avoid OT treatment during the inflammatory phase which was considered maximal around day 3 post-ischemia. When initiated 8 days after MI, OT infusion induced adverse effects in animals with elevated endogenous levels of OT. In contrast, no significant effects (not statistically significant improvement) were observed in animals with low endogenous OT baseline. In placebo treated animals, a trend to observe a better recovery was noted in animals with high endogenous OT baseline. While the size of the ischemic zone was comparable to human patients with MI, the use of juvenile animals and the absence of coronary disease are important limitations of the porcine model. The potential of OT for treatment of MI remains but our results suggest that systemic administration of OT by continuous infusion as part of a replacement therapy should be investigated further in relation to endogenous levels. Further investigations on safety of the treatment with OT on animal MI models are warranted before the use of OT can be considered in the patient population after myocardial infarct. On the other hand, endogenous levels of OT may have a prognostic value and clinical trials to investigate this hypothesis may be of interest.

La cardiomyopathie ischémique et l’insuffisance cardiaque (IC) sont deux des principales causes de morbidité et de mortalité dans les pays industrialisés. L’IC représente la condition finale résultant de plusieurs pathologies affectant le myocarde. Au Canada, plus de 400 000 personnes souffrent d’IC. Malgré la grande variété de traitements disponibles pour prendre en charge ces patients à haut risque de mortalité, l’évolution et le pronostic clinique de cette population demeurent sombres. Les thérapies de régénération par transplantation cellulaire représentent de nouvelles approches pour traiter les patients souffrant d’IC. L’impact de cette approche cellulaire et les mécanismes qui sous-tendent l’application de ce nouveau mode de traitement demeurent obscurs. Les hypothèses proposées dans cette thèse sont les suivantes : 1) l’évolution à long terme des patients qui se présentent en IC grave est nettement défavorable malgré les techniques actuelles de revascularisation chirurgicale à cœur battant; 2) la thérapie cellulaire et, plus spécifiquement, l’injection intracoronaire précoce de milieu de culture cellulaire, permet d’améliorer la récupération fonctionnelle du ventricule gauche suite à un infarctus aigu du myocarde; et 3) la mobilisation de l’axe cœur-moelle osseuse constitue un mécanisme de réponse important lors de la survenue d’un événement ischémique chronique affectant le myocarde. / Congestive heart failure (CHF) remains a leading cause of mortality in the developed world. There are more than 400,000 diagnosed cases of this pathology in Canada. Despite the numerous treatment options available for patients presenting with left ventricular dysfunction, the evolution of this population is still dismal. Stem cell transplantation is a potential approach to repopulate the injured myocardium, to treat heart failure, and to restore cardiac function. However, the exact mechanisms underlying the beneficial effects of this approach remain to be elucidated. The hypotheses of this thesis are the following: 1) the long-term evolution of patients undergoing coronary artery bypass graft surgery is still poor, even when considering the use of new innovative surgical strategies such as off-pump coronary revascularization; 2) the intracoronary injection of concentrated biologically active factors secreted by stem cells can achieve early protection of the ischemic myocardium and preserve heart function; and 3) the bone marrow/heart interaction in a critical axis is involved in chronic myocardial repair following persistent ischemic injury.