Musculoskeletal pathologies associated with decreased bone mass, including osteoporosis and disuse-induced bone loss, affect millions of Americans annually. Many pharmaceutical treatments have slowed osteoporosis, but there is still no countermeasure for bone loss observed in astronauts. Additionally, high magnitude and low frequency impact has been recognized to increase bone and muscle mass under normal but not microgravity conditions. However, a low magnitude and high frequency (LMHF) mechanical load experienced in activities such as postural control has also been shown to be anabolic to bone. While several clinical trials have demonstrated that the LMHF mechanical loading normalizes bone loss in vivo, the target tissues and cells of the mechanical load and underlying mechanisms mediating the responses are unknown. As such, the objectives of this project are to analyze cellular and molecular changes induced in osteoblasts by LMHF loading and to investigate the utility of a LMHF mechanical load in mitigating microgravity-induced bone loss. The central hypothesis of the project is that simulated microgravity or disuse conditions induce bone loss by inhibiting expression of genes critical in regulating bone formation, osteoblast differentiation, and subsequent mineralization while a LMHF mechanical load prevents these effects. To test this hypothesis, we developed an in vitro disuse system using the Random Positioning Machine (RPM). For the first time, we reported systemic gene expression studies in 2T3 preosteoblasts using the RPM disuse system showing that 140 genes were altered by RPM exposure with over two-fold statistically significant changes. Moreover, we also utilized an independent simulator called the Rotating Wall Vessel (RWV) to partially validate the in vitro disuse systems and to confine the list of genes to those most critical in regulating bone formation. After comparative studies, we constricted the list to 15 commonly changed genes, three of which were not only decreased with disuse but also increased with mechanical loading in vivo. Furthermore, we employed the RPM disuse system to evaluate the mechanism by which a LMHF load mitigates bone loss. Exposure of osteoblasts to the RPM decreased both ALP activity and mineralization even in the presence of bone morphogenic protein 4 (BMP4), and the LMHF mechanical loading prevented the RPM-induced decrease in both markers. Mineralization induced by LMHF mechanical loading was enhanced by treatment with BMP4 and blocked by the BMP antagonist noggin, suggesting a role for BMPs in this response. In addition, LMHF mechanical loading rescued the RPM-induced decrease in gene expression of ALP, runx2, osteomodulin, parathyroid hormone receptor 1, and osteoglycin. These findings show that osteoblasts directly respond to LMHF mechanical loading, potentially leading to normalization or prevention of bone loss caused by disuse or microgravity conditions. The mechanosensitive genes identified here provide potential targets for pharmaceutical treatments that may be used in combination with LMHF mechanical loading to better treat osteoporosis, disuse-induced bone loss, or microgravity-induced bone loss.

Depuis des décennies, l’un des enjeux des sciences de l’espace est d’accompagner les astronautes lors de leur séjour de courte ou longue durée, principalement en vols orbitaux à bord d’une station spatiale. Dans ce contexte, nos travaux participent à la compréhension du déconditionnement musculaire associé à un séjour en impesanteur et à l’évaluation des différentes contremesures.Que ce soit dans le secteur spatial ou celui de la santé, les scientifiques ont eu l’opportunité d’étudier les effets de la réduction chronique d’activité et de l’impesanteur, grâce à différents modèles expérimentaux qui sont présentés dans le chapitre 1. La partie 1 fait également l’état des lieux des paramètres du déconditionnement musculaire, que sont principalement la perte de masse et de force musculaire. Ces deux paramètres apparaissent de manière précoce dans une situation d’hypoactivité et ne sont pas corrélés au cours du temps, ce qui se traduit par une diminution de force de plus grande amplitude que les degrés d’atrophie rapportés. Parmi les facteurs explicatifs de cette disproportion, l’accumulation accrue d’infiltrations graisseuses et la dénervation sont des éléments explicatifs et ont également fait l’objet de nos expérimentations.Nos travaux ont pour objectif principal de caractériser les altérations précoces du muscle strié squelettique à l’aide d’un modèle d’impesanteur simulée, appelé immersion sèche ou Dry Immersion (DI). Ce modèle est reconnu depuis plusieurs années par les scientifiques russes pour être plus sévère que l’alitement prolongé et a été mis en place il y a quelques années pour la première fois en Europe (Toulouse). L’étude a consisté à placer 12 bénévoles masculins sains en immersion sèche pendant 3 jours. Cette première étude menée en Europe nous a permis de caractériser les changements précoces du déconditionnement musculaire au niveau structural et fonctionnel. Les biopsies musculaires pre- et post-DI, obtenues à partir du muscle Vastus Lateralis ont permis de quantifier par immunohistologie le degré d’atrophie musculaire par type de fibre, et d’analyser les changements myotypologiques. Au niveau structural, nous avons rapporté par IRM une diminution de 10% du volume du quadriceps, ainsi qu’une atrophie de 10%, principalement attribuée aux fibres de type 1. Dès 3 jours, le pourcentage de fibres exprimant des MyHC 1 a également diminué, alors qu’on relève en parallèle une apparition de fibres hybrides (+1.3%). Au niveau fonctionnel, la perte de force musculaire est de 11%, et nous relevons une altération des propriétés viscoélastique du rectus femoris. Au niveau moléculaire, l’expression de protéines clés impliquées dans la régulation de la balance protéique rapporte par exemple une augmentation précoce de l’expression de l’atrogène MURF1 (+41%) et une diminution de l’expression de 4EBP1 (-17%). Une analyse transcriptomique par RNA-seq a également mis en valeur un changement d’expression significatif de 2872 gènes.Une seconde étude nous a permis d’évaluer les effets d’un cocktail anti-oxydant, anti-inflammatoire comme contremesure lors d’une réduction d’activité de 20 jours et lors d’un bed rest de 2 mois. Des biopsies musculaires pre- et post-DI et BR ont été obtenues à partir du muscle Vastus Lateralis et rapportent un degré d’atrophie d’environ 20% dans les deux protocoles. La contremesure a principalement montré un effet protecteur sur les fibres de type Iia. L’analyse des E3 ligases MuRF-1 et Atrogin-1, n’indique aucune modification dans les deux protocoles de longue durée.Les résultats de nos études à courts et longs termes du déconditionnement musculaire soulignent les changements rapides et précoces au niveau du système musculaire et mettent en valeur la nécessité d’étudier finement ces changements initiaux et bio-marqueurs du déconditionnement musculaire ainsi que la nécessité d’optimiser les effets des contremesures sur cette période initiale. / For decades, one of the challenges of space science has been to assist the astronauts during their short or long term stay, mainly in orbital flights aboard a space station. In this context, our work contributes to the understanding of muscle deconditioning associated with a stay in weightlessness and to the evaluation of differents countermeasures.Whether in the space or health sector, scientists have had the opportunity to study the effects of chronic hypoactivity and weightlessness through various experimental models that are presented in Chapter 1. Part 1 also reviews the parameters of muscle deconditioning, which are mainly loss of mass and muscle strength. These two parameters appear early in a situation of hypoactivity and are not correlated with time, which results in a decrease in force of greater amplitude than the degrees of atrophy reported. Among the explanatory factors of this disproportion, the increased accumulation of fatty infiltrations and the denervation processes are explanatory elements and have also been the subject of our experiments.Our main objective is to characterize the early alterations of skeletal muscle using a model of dry immersion (DI). This model has been recognized for several years by Russian scientists to be more severe than extended bed rest and was set up a few years ago for the first time in Europe (Toulouse). The study consisted of placing 12 healthy male volunteers in dry immersion for 3 days. This first study in Europe allowed us to characterize the early changes of muscle deconditioning at the structural and functional level. The pre- and post-DI muscle biopsies, obtained from the Vastus Lateralis muscle, were used to quantify by immunohistology the degree of muscle atrophy by fiber type and to analyze the changes in myotypology. At the structural level, we reported by MRI a 10% decrease in the volume of the quadriceps, as well as a 10% atrophy, mainly attributed to type 1 fibers. From 3 days, the percentage of fibers expressing MyHC 1 also decreased, while the percentage of hybrid fiber increased (+ 1.3%). At the functional level, the loss of muscle strength is 11%, and we note an alteration of the viscoelastic properties of the rectus femoris. At the molecular level, we reported the changes of key proteins involved in protein balance regulation, for example, an early increase in the expression of the atrogene MURF1 (+ 41%) and a decrease expression of 4EBP1 (-17%). Transcriptomic analysis by RNA-seq also highlighted a significant expression change of 2872 genes.A second study allowed us to evaluate the effects of an anti-oxidant, anti-inflammatory cocktail as countermeasure during a hypoactivity experiments of 20 days and during a bed rest of 2 months. Pre- and post-DI and BR muscle biopsies were obtained from the Vastus Lateralis muscle and reported a degree of atrophy of about 20% in both protocols. The countermeasure has mainly shown a protective effect on type Iia fibers. Analysis of the E3 ligases MuRF-1 and Atrogin-1 did not indicate any modification in the two long-term protocols.The results of our short and long term studies of muscle deconditioning underline the rapid and early changes in the muscle system and highlight the need to study finely these initial changes and biomarkers of deconditioning, in order to optimize the effects of countermeasures over this initial period.

Des expériences d'ébullition convective de HFE-7000 dans un tube vertical chauffé ont été menées dans des conditions de gravité terrestre et de microgravité. Ces expériences consistent principalement en l'étude d'écoulements diphasiques dans un tube de saphir de 6 millimètres de diamètre intérieur, uniformément chauffé par effet Joule à travers un dépôt conducteur d'ITO. Des mesures de pertes de pression, de taux de vide, et de températures de paroi ou de liquide sont réalisées simultanément avec des enregistrements vidéo des régimes d'écoulement dans le tube. Les données correspondantes ont été collectées au sol et lors de quatre campagnes de vols paraboliques qui ont fourni des conditions de niveau de gravité proches de l'apesanteur. Les visualisations des films d'écoulement, ainsi que les signaux de température et de pression sont analysés afin d'obtenir des données sur les régimes d'écoulement, le taux de vide, les frottements pariétaux et interfaciaux, et les coefficients d'échange de chaleur. Ces résultats expérimentaux et les comparaisons réalisées avec d'autres jeux de données en microgravité sont utilisés pour proposer une modélisation de l'ébullition convective en microgravité. / Forced convective boiling experiments of HFE-7000 in a vertical heated tube were conducted in earth gravity and under microgravity conditions. The experiment mainly consists in the study of a two-phase flow inside a 6mm diameter sapphire tube uniformly heated through an ITO coating. Measurements of pressure drops, void fraction, and liquid and wall temperatures are performed, along with flow visualisations. Data were collected in normal gravity and during four parabolic flight campaigns providing near weightlessness conditions. Flow visualisations, temperature and pressure signals are analysed to obtain flow patterns, void fraction, wall and interfacial shear stresses, and heat transfer coefficient data. These experimental results and comparisons with other available datasets are used to attempt a modelling of flow boiling in microgravity.

Au cours d’une simulation de la microgravité de 21 jours, le développement de plusieurs altérations métaboliques ont été étudiées : une inflammation de bas-niveau et une altération de la sensibilité à l’insuline et du métabolisme lipidique. Connues pour leurs impacts positifs sur le métabolisme, une supplémentation en protéines du petit lait, combinée à des sels alcalins, a également été testée.Contrairement aux études précédentes, aucune inflammation, ni altération du métabolisme lipidique n’a été clairement décrite dans notre étude. En revanche une diminution de l’oxydation des glucides en faveur des lipides est observée, suggérant le début d’une insensibilité à l’insuline. Nos données suggèrent qu’il serait possible de prévenir les dérégulations métaboliques associées à l’inactivité physique sévère par un remplacement isocalorique des lipides par les protéines, avec un apport protéique de base de 1,2g/kg/jour et un contrôle strict de la balance énergétique par l’apport calorique. / During 21 days of simulated microgravity, the development of several metabolic alterations has been studied: a low-grade inflammation and an alteration of insulin sensitivity and lipid metabolism. Known for their positive effect on metabolism, whey proteins supplementation combined with alkaline salts have also been tested. At the opposite of previous studies, no inflammation, nor lipid metabolism alterations have clearly been described. Nevertheless, a decrease in carbohydrates oxidation in favor of lipids is observed, suggesting the development of insulin insensitivity. Our data suggest that it may be possible to prevent the metabolic disorders associated with severe physical inactivity by anisocaloric replacement of lipids by proteins in the diet, along with a protein intake of 1.2g/kg/day and tight control of energy balance by adjusting energy intake.

The International Space Station provides a high-quality of microgravity and extended exposure time which makes it a platform of choice for microgravity research. In order to increase accessibility of onboard experimentation, Space Applications Services will soon launch the ICE Cubes facility as part of its ICE Cubes Service. The facility is foreseen to host standardized plug-and-play payload cubes to reduce overall cost and procedure time required to install payloads on the station. To remotely support the facility it is decided to develop a utility cube named Cube-Zero that will be launched and installed with the facility on the station. This thesis work included the complete design, development and documentation of the cube. The thesis started by conducting a preliminary needs and market study from which two specific purposes were defined for the cube. In addition to its original function of support-utility, the cube is tasked to be a technical commercial demonstrator for the service. This led to the conceptual design of the cube as a multidisciplinary framework able to host two user-defined experiment modules. The preliminary concept was further refined in this paper and with support of prototypes, simulations and analyses led to a final functional design for the Cube-Zero. The work is concluded with the manufacturing of an engineering model of the cube. The model is fully operational, can support the test of the facility before launch and can demonstrate to users its versatility and ease of use in operating any kind of experiment module. Eventually, the information gathered in this thesis report will support future users into developing their own Cube-Zero payload module and guide Space Applications Services into manufacturing, testing and operating the Cube-Zero protoflight model. / ICE Cubes

Microgravité éthylène laminaires couche limite flammes de diffusion générés par un brûleur poreux plat et caractérisées par les vitesses d'injection de carburant de 3 et 4 mm / s et une vitesse d'oxydation de 250 mm / s ont été simulées en utilisant un modèle de rayonnement précis, un mécanisme cinétique complète et un modèle de suie constitué de lancement par suite de la collision de deux molécules de pyrène, l'évolution de la surface hétérogène et oxydation suivant l'abstraction d'un atome d'hydrogène addition d'acétylène (HACA) mécanisme, la coagulation à particules de suie, et la condensation de la surface de l'HTAP. La distance d'écartement et la production de suie sont améliorées lorsque la vitesse du carburant augmente. H et des radicaux OH, responsables de la de-hydrogénation des sites dans le processus HACA, et le pyrène, de l'espèce pour la création de la suie et des processus de condensation HAP, se trouvent à être situé dans une région qui suit la distance stand-off. La suie est ensuite produite dans cette région et est transporté à l'intérieur de la couche limite par convection et thermophorèse. Perte radiatif est sensiblement plus élevé dans ces flammes que dans flammes de diffusion de gravité normales dues à beaucoup plus longues durées de séjour. Calculs effectués par négliger le rayonnement de la suie et en utilisant l'approximation optiquement mince (OTA) a révélé que la suie domine le transfert de chaleur par rayonnement dans ces flammes et que l'utilisation de l'OTA donne lieu à des écarts significatifs dans la fraction du volume température et la suie. / Microgravity ethylene laminar boundary layer diffusion flames generated by a flat porous burner and characterized by the fuel injection velocities of 3 and 4 mm/s and an oxidizer velocity of 250 mm/s have been simulated by using an accurate radiation model, a comprehensive kinetic mechanism, and a soot model consisting of inception as a result of the collision of two pyrene molecules, heterogeneous surface growth and oxidation following the hydrogen abstraction acetylene addition (HACA) mechanism, soot particle coagulation, and PAH surface condensation. Model predictions are in reasonable agreement with the experimental data in terms of the stand-off distance and soot volume fraction. The stand-off distance and soot production are enhanced as the fuel velocity increases. H and OH radicals, responsible of the de-hydrogenation of sites in the HACA process, and pyrene, of the species for soot inception and PAH condensation processes, are found to be located in a region that follows the stand-off distance. Soot is then produced in this region and is transported inside the boundary layer by convection and thermophoresis. Radiative loss is substantially higher in these flames than in normal gravity diffusion flames owing to much longer residence times. Calculations carried out by neglecting soot radiation and by using the optically-thin approximation (OTA) revealed that soot dominates the radiative heat transfer in these flames and that the use of OTA gives rise to significant discrepancies in temperature and soot volume fraction.

Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration. / During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast of our 39K interferometer by a factor 4, which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5 x 10-8 after 5000 s of integration.

Les mousses sont des matériaux très largement utilisés dans l'industrie par exemple dans l'agroalimentaire ou la cosmétique. Ce sont des matériaux instables qui vieillissent au cours du temps à cause du mûrissement dû à la diffusion du gaz entre les bulles, de la coalescence qui est la fusion de deux bulles après rupture du film les séparant et du drainage dû à l'écoulement de liquide entre les bulles par gravité. Ces trois processus sont en compétition dans les mousses. Au cours de ma thèse, j'ai réalisé différentes expériences dans le but d'éliminer le drainage et d'étudier le mûrissement, la coalescence et la compétition entre les deux. Après un rappel sur la structure, le vieillissement des mousses et la description du dispositif expérimentale que j'ai mis au point pour contrôler la quantité de liquide dans la mousse, je me suis intéressée au mûrissement et à la coalescence de mousses 2D horizontales. J'ai montré tout d'abord grâce à l'analyse d'image qu'il est possible de différencier les mousses évoluant principalement par mûrissement de celles évoluant par coalescence en introduisant un paramètre de convexité sur les bulles composant la mousse. Les mousses ayant mûri sont alors utilisées pour étudier l'impact de l'humidité des mousses sur la perméabilité des films. La perméabilité est calculée à l'aide d'une nouvelle théorie prenant en compte l'humidité de la mousse. Les mousses qui coalescent, quant à elles, sont utilisées pour étudier l'impact de la fraction liquide, de la pression capillaire et de la taille des bulles sur la coalescence dans les mousses 2D. Cette étude permet de montrer qu'une analyse de ces paramètres à l'échelle de la mousse n'est pas suffisante pour conclure sur leur réel impact sur la coalescence et qu'il est nécessaire d'analyser ces paramètres à l'échelle de la bulle afin de différencier leurs effets. Pour ce faire, j'ai mis au point un programme qui permet d'isoler chaque évènement de coalescence. Ainsi, il existe une fraction liquide critique à partir de laquelle il n'y a plus de coalescence car les films entre les bulles n'existent plus. A 3D, j'ai commencé par établir un lien entre les fractions liquides surface et volumique donnant une nouvelle manière de de mesurer la fraction liquide volumique à partir d'une image de la surface. Ensuite, j'ai étudié le mûrissement de mousses humides 3D. Un des buts était de mettre en évidence la transition entre le régime sec où le rayon moyen croit comme le temps avec un exposant β =1/2 et le régime très humide où β = 1/3. J'ai réalisé des expériences de diffusion multiple de la lumière, sur des mousses confinées et trouvé de valeurs de β voisine de 1/2. Néanmoins, la mesure β dans les mousses très humides n'a pas été possible. Pour parer à cela, le projet "Soft Matter Dynamics" vise à étudier le mûrissement et le réarrangement des bulles dans les mousses humides en microgravité dans la station spatiale internationales (ISS). Mon implication dans ce projet a consisté à réaliser des protocoles de remplissage et de nettoyage de cellules en collaboration avec Airbus, à créer un programme d'automatisation de la mesure de la taille des bulles et à participer à une campagne de test du système de génération des mousses. / Foams are materials widely used in the industry, like in food industry or cosmetics industry for example. These are unstable materials that age over time by coarsening which is gas diffusion between bubbles, by coalescence which is the fusion of two bubbles after rupture of the film between them or by drainage which is the liquid flow between the bubbles due to gravity. These three processes are in competition in foams. During my thesis, I carried out various experiments in order to eliminate drainage and study coarsening, coalescence and the competition between them. After a quick reminder on foam structure and aging and a description of the experimental set-up that I made allowing to control the liquid content of the foam, I present coarsening and coalescence experiments of horizontal 2D foams. First, I show that it is possible to differentiate foams which evolved mainly by coarsening from those which evolved by coalescence. This is done using a convexity parameter that compares the convexity of the bubbles in the foams. The foams which coarsen are then used to study the impact of foam humidity on the films permeability. The permeability is calculated with the help of a new theory which takes into account the humidity of the foam. The coalescing foams are used to study the impact of the liquid fraction, the capillary pressure and the bubbles' size on coalescence in 2D foams. This study shows that an analysis of these parameters at the scale of the foam does not allow to conclude on their real impact on coalescence and that it is necessary to analyze these parameters at the scale of each bubble in order to differentiate their effects. To this end, I have developed a program that follow-up these bubbles and which isolate each event of coalescence. There is a critical liquid fraction above which there is no more coalescence because the films between the bubbles no longer exist. In 3D, I began by establishing link between surface and volume liquid fractions giving a new method to measure the volume liquid fraction from an image of the surface. Then, I studied coarsening of 3D wet foams. One of the goals was to show the transition between the dry regime where le mean radius increase with time as a power law, with an exponent β in the dry regime β =1/2 and the very wet regime where β = 1/3. I carried out multiple light scattering experiments on confined foams and found the values of $eta$ to be near $1/2. Nevertheless, the measurement of β in very wet foams wasn't possible. To counter this, the "Soft Matter Dynamics" project aims to study the coarsening and bubbles' rearrangement of wet foams in microgravity in the international space station (ISS). My involvement in this project consisted in the realisation of cell filling and cleaning protocols in collaboration with Airbus, the creation of a program for the automatisation of the bubbles' size measurement and the participation in a test campaign on the foam generation system.

No description available.

No description available.