Crimean-Congo haemorrhagic fever (CCHF) is a tick-borne viral zoonosis widely distributed in Africa, Asia, Russia and the Balkans. The causative agent, CCHF virus (CCHFV) has the propensity to cause nosocomial infections with a high fatality rate. Cases of CCHF are diagnosed annually in southern Africa. Increasing numbers of cases are seen in regions of Asia and in the past ten years CCHFV has emerged in several countries in the Balkans and re-emergence in south-western regions of the Russian Federation. Diagnosis of CCHFV infections during the acute phase is based on isolation of the virus or amplification of viral RNA. Patients that survive the infection have a demonstrable IgG and IgM antibody response, usually from day 5 to 7 after onset of illness. Current serological diagnostic assays based on ELISA or IF use inactivated virus which requires biosafety level 4 facilities for culturing the virus and therefore limits the number of laboratories that can prepare suitable reagents. Preparation of recombinant antigens would enable laboratories to perform serological diagnosis of CCHFV infections and surveillance studies. The purpose of this study was to prepare a recombinant CCHFV nucleoprotein using a bacterial expression system, to determine if the protein was immunogenic and to determine if the protein was able to detect IgG antibodies in survivors of CCHFV infection. The complete open reading frame of the gene encoding the NP of CCHFV was amplified by RT-PCR using primers specifically designed with restriction sites engineered to the primers to facilitate cloning. The amplicon was cloned into pGEM® T Easy vector using T/A cloning and the gene sequenced to confirm that the correct gene had been amplified and cloned into the vector for downstream cloning and expression applications. Initially we aimed to express the native gene using a bacterial expression system and the NP gene was rescued from the recombinant plasmid and cloned into pQE-80L vector using the BamH1 and Pst1 restriction sites present in the multiple cloning site on the vector. Various attempts were made to express the CCHFV NP protein however no protein was detectable using SDS PAGE methods or Western blot. The nucleotide sequence that we had determined for the open reading frame of our gene encoding the NP was analysed using the Rare Codon Analysis Tool software and we elected to codon optimize the gene for expression in E. coli. The optimized gene was synthesized by GenScript and supplied cloned in the multiple cloning site of pUC57. The optimized gene was excised from pUC57 and cloned into pColdTF bacterial expression vector. A 106 kDa protein was expressed from the construct likely representing the HIS tagged TF chaperone protein fused to the CCHFV NP protein and confirmed by Western blot analysis. A higher yield of the protein was present in the insoluble phase and as optimization of the growth and induction conditions did not significantly alter the insoluble to soluble ratio of the expressed protein, the protein was harvested from the insoluble phase by denaturing, purification and refolding of the protein. The biological activity of the recombinant protein was confirmed using immunoassays and by immunizing mice to determine if the antibodies induced by the recombinant protein could be detected using an antigen prepared from the whole virus. Four of five mice immunized with the recombinant NP had a detectable antibody response using an immunofluorescent assay. Serum samples from acute and convalescent patients collected at varying stages after onset of illness were reacted in a Western blot with the recombinant CCHFV NP protein. The recombinant antigen was able to detect IgG antibody in all the convalescent patient sera except two sera collected on days 14 and 15 during the acute phase. In contrast all the samples were detected using the recombinant antigen in an ELISA. Due to the potential biohazardous nature of samples only samples collected two weeks after onset of illness were tested. The results showed 100% concordance with the results obtained in an ELISA using mouse brain derived antigen. The assay was shown to be reproducible and stability studies showed that four months after preparation the protein was still active. A full validation of the protein using a large panel of serum samples from confirmed CCHF patients is now required. The results suggest that bacterially expressed proteins lacking post translational modifications and folding that occur with mammalian and baculovirus expression can be used in ELISA to detect IgG antibody against CCHFV in human sera which finds application in diagnostics, epidemiologic and surveillance studies.

Modulated electron beam therapy (MERT) using photon multi-leaf collimators (pMLC) is an emerging technique. In this study characterization of electron beams collimted by an Elekta Precise machine pMLC for MERT applications was done. The objectives of the study were: a) to model the Elekta Precise machine using the EGSnrc MC codes to generate electron energy spectra that replicate the machine. b) study the physical characteristics of electron beams collimated by the pMLC at different source skin distances (SSDs) and field sizes and to c) apply the findings in the treatment of scalp with electron beam. For objective (a) the EGSnrc/BEAMnrc MC codes were used to extract the electron energy spectra from simulated PDD data. These spectra were used as input sources in the MC code. Benchmarking against measurements in water in terms of percentage depth dose and beam profiles were performed for 4â15 MeV over different applicators sizes. Physical characteristics of the electron beams collimated by the pMLC using the generated energy spectra were calculated. The SSDs ranged from 60â100 cm, field sizes ranged from 1 Ã 1 up to 20 Ã 20 cm2. An anthropomorphic phantom for total scalp treatment scanned using CT. Eight fields were incident on the scalp from different angles for a 4 MeV electron beam. The results showed that the generated electron energy spectra can be assumed to be a realistic approximation of the linac. Penumbra data indicated that 60 cm SSD was the most favorable treatment distance for MERT. At this distance the field size is conserved. The output factors were much higher compared to applicator collimated electron beams. This will accelerate the MERT based dose delivery. No detectable leakage through the pMLC was observed. The penumbra for single large fields can be improved by using weighted abutted smaller fields. The virtual source position was found to be at 5 cm below the exit window. The scalp treatment showed excellent dose distribution and optimal dose coverage of the target while sparing distal organs at risk as quantified by a dose volume historgam. This study domenstrated that the MERT technique can be implemented on an Elekta Precise. MC techniques showed to be valuable tools for doing forward optimization and MERT driven dose calculations.

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Numerical simulations are invaluable in the development and understanding of magnetic resonance imaging (MRI) techniques. Motivated by the goal of understanding the behaviour of the functional MRI (fMRI) signal in brain tissue, this thesis employs a deterministic simulation technique in which the transverse magnetization and B0 inhomogeneity within a voxel are spatially discretized and the stochastic self-diffusion of water molecules is modelled as a Gaussian isotropic blurring of the transverse magnetization. While this simulation technique has existed since fMRI was in its infancy, its use has increased recently as investigators have attempted to quantitatively interpret the measured signal. Despite its recent popularity, thorough quantitative validation of the technique is lacking in the literature.With the development of quantitative fMRI techniques being the driving force, this thesis validates three-dimensional deterministic simulations of the MR signal with a focus on their application in cerebral microvasculature. Individual blood vessels are modelled by infinite cylinders with a realistic distribution of radii. Using a spin echo sequence, the effects of several simulation parameters are investigated.Validations ignoring the effect of diffusion show that the discretization of the voxel into subvoxels can be very coarse – up to 10 μm subvoxel widths – without adversely affecting the simulation outcomes. Simulations including diffusion are validated using an analytical solution to the Bloch-Torrey equation for comparison. In the presence of diffusion, subvoxel size is a key factor and it needs to be sufficiently small (~ 2 μm), depending on the rest of the simulation parameters, in order for the simulations to be accurate. Finally, as a proof-of-concept, it is shown that larger subvoxels can be used and still produce accurate simulations if the diffusion coefficient is scaled by a correction factor to produce the desired time series. / Les simulations numériques sont d'une valeur inestimable pour le développement et la compréhension des techniques d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette thèse, motivée par le but de comprendre le comportement du signal de l'IRM fonctionnelle (IRMf) dans le tissu cérébral, utilise une technique de simulation déterministe dans laquelle la magnétisation transversale et l'inhomogénéité B0 au sein d'un voxel sont spatialement discrétisées et l'auto-diffusion stochastique des molécules d'eau est modélisée par un flou gaussien isotrope de la magnétisation transversale. Bien que cette technique de simulation existe depuis les débuts de l'IRMf, son utilisation a augmenté récemment par des chercheurs tentant d'interpréter quantitativement le signal mesuré. Malgré sa popularité récente, une validation quantitative approfondie de cette technique est absente de la littérature.Ayant pour force motrice le développement de techniques d'IRMf quantitatives, cette thèse valide des simulations tridimensionnelles déterministes du signal IRM en mettant l'emphase sur leur application dans la microvascularisation cérébrale. Les vaisseaux sanguins individuels sont modélisés par des cylindres infinis avec une distribution de rayons réaliste. Les effets de plusieurs paramètres de simulation sont étudiées en utilisant une séquence écho de spin.Des validations ignorant l'effet de diffusion montrent que la discrétisation des voxel en sous-voxels peut être très grossière - jusqu'à des tailles de sous-voxels de 10 μm - sans détériorer les résultats de la simulation. Des simulations tenant compte de la diffusion sont validées à l'aide d'une solution analytique à l'équation de Bloch-Torrey. En présence de diffusion, la taille des sous-voxels est un facteur clé et doit être petite (~ 2 μm, dépendamment des autres paramètres de simulation) pour que les simulations soient précises. Enfin, comme preuve de concept, il est démontré que des simulations précises peuvent être obtenues avec des sous-voxels plus grands pourvu que le coefficient de diffusion soit multiplié par un facteur de correction pour produire la série temporelle désirée.

The Varian TrueBeam STx linear accelerator features a developer's mode in which treatment plans can be programmed that include patient couch motion during radiation delivery. The combination of synchronous couch/gantry trajectories with Varian volumetric modulated arc therapy (VMAT) optimizations, called RapidArc, can result in a treatment technique that has been designated Virtual Isocenter RapidArc (VIRA). Prior to its implementation, the accuracy of dose calculations in the Varian Eclipse treatment planning system, on which the RapidArc optimization depends, must be validated, as well as the positional accuracy of the TrueBeam patient couch. The dose calculation accuracy was evaluated extrinsically through the delivery of clinical dynamic multileaf collimator (DMLC) intensity modulated radiotherapy (IMRT) treatment plans as a function of source-to-surface distance (SSD) and measurement with ionization chamber and Gafchromic EBT3 film. Parameters intrinsic to dose calculations in Eclipse, the dosimetric leaf gap (DLG) and leaf transmission (LT), were also investigated for their dependence on SSD. The positional accuracy of the treatment couch was assessed through the generation of treatment plans with static couch/gantry, static couch/rotating gantry, and synchronous couch and gantry motion, with measurement of the real-time ionization chamber current positioned in a cylindrical phantom during radiation delivery. The relative agreement of ionization chamber measurements to Eclipse dose calculations for DMLC IMRT treatment plans decreased by 1.5±0.3% over SSDs in the range of 85 cm to 135 cm (less than 1.0% deviation from standard clinical reference conditions of 100 cm SSD). Gafchromic EBT3 film measurements were consistent with ionization chamber results, though noise in the film data at low doses resulted in large uncertainties. Measurements of DLG were independent of SSD, following corrections for geometric projection. LT showed a dependence on SSD of 0.09±0.02% over the SSD range investigated. The ionization chamber current measurements for synchronous couch and gantry rotation, analogous to the proposed VIRA technique, indicated a maximum deviation of 0.2 cm relative to treatment isocenter, equal to the deviation observed for the rotating gantry/static couch treatment, analogous to conventional VMAT delivery. These results indicate that the Varian TrueBeam and Eclipse maintain the necessary positional and dosimetric accuracy required for VMAT treatments involving dynamic couch trajectories. / L'accélérateur linéaire TrueBeam STx de Varian possède un mode d'utilisation avancé où des plans de traitement peuvent être programmés pour inclure un mouvement de la table où repose le patient pendant le traitement. La combinaison des trajectoires synchronisés de la table de traitement ainsi que du gantry avec la plate-forme d'optimisation RapidArc pour la radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité volumétrique (VMAT) produit une technique de traitement appelée RapidArc avec isocentre virtuel (VIRA). En vue de réaliser cette nouvelle technique, la justesse du calcul de dose dans la plate-forme de planification de traitements Eclipse, sur laquelle l'optimisation RapidArc dépend, doit être validée ainsi que la justesse du positionnement de la table de traitement. La justesse du calcul de dose fut évaluée de façon extrinsèque en comparant le résultat de la plate-forme RapidArc pour un plan de traitement de radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (IMRT) utilisant un collimateur multilames dynamique (DMLC) à des valeurs mesurés à l'aide d'une chambre d'ionisation ainsi que des films Gafchromic EBT3 en fonction de la distance entre la source et la surface (SSD) d'un phantôme. La dépendence sur SSD de deux paramètres instrinsèques au calcul de dose dans Eclipse, l'écart dosimétrique entre les lames (DLG) et la transmission des lames (LT) fut aussi étudiée. La justesse du positionnement de la table de traitement fut évaluée en produisant des plans de traitements avec la table et le gantry stationnaire, la table stationnaire et le gantry en mouvement ainsi qu'avec le mouvement synchronisé de la table et du gantry, tout en ayant une chambre d'ionisation positionnée dans un phantôme cylindrique durant la période d'irradiation. L'accord relatif entre les valeurs obtenus de la chambre d'ionisation et ceux d'Eclipse pour les plans DMLC IMRT est descendu de 1.5±0.3% en changeant le SSD de 85 cm jusqu'à 135 cm (moins de 1% de deviation des conditions de références clinique où le SSD est de 100 cm). Les valeurs obtenus à partir des films Gafchromic EBT3 sont en accord avec ceux de la chambre d'ionisation. Par contre, le bruit dans les données du film à basses doses a produit une grande incertitude. En corrigeant pour la projection géométrique, les valeurs du DLG ont été observé comme étant indépendantes du SSD. Le LT a démontré une dépendence sur le SSD de 0.09±0.02% sur la portée de SSD étudiés. Les valeurs de la chambre d'ionisation pour le mouvement synchronisé de la table de traitement et du gantry proposé pour la technique VIRA ont indiqué une déviation maximale de 0.2 cm relativement à l'isocentre du traitement. La même déviation fut observé pour le traitement où la table était stationnaire et le gantry était en mouvement, ce qui correspond aux traitements conventionnels VMAT. Ces résultats démontrent que l'accélérateur linéaire TrueBeam de Varian ainsi q'Eclipse maintiennent la justesse dosimétrique nécéssaire pour les traitements VMAT impliquant des trajectoires dynamiques de la table de traitement.

Aminoglycosides are broad-spectrum antibiotics that corrupt normal protein synthesis by acting on the coding and translocation mechanisms of the 30S ribosomal subunit. The most common mechanism of resistance to this class of antibiotics is enzymatic modification. There are three families of aminoglycoside modifying enzymes: the N-acetyltransferases (AAC), the O-phosphotransferases (APH), and the O-adenyltransferases (ANT). The focus of this thesis is on the APH and ANT families. Spectinomycin kinase (SpcN), also referred to as APH(9)-Ib, catalyzes the phosphorylation of spectinomycin exclusively, rendering it inactive. It shares its substrate specificity with APH(9)-Ia, for which the crystal structure has been described (Fong et al, 2010). Structural elements related to substrate binding remain largely conserved within the APH family, and the structural characterization of various APHs can provide valuable insight into structure-function relationships, such as substrate spectrum. Here, we report initial overexpression and purification methods for SpcN and explore solubilization methods to improve protein overexpression. Aminoglycoside nucleotidyltransferase (2”)-Ia (ANT(2”)-Ia) is among the most prevalent and widespread AMEs in North America (Ramirez & Tomalsky, 2010). It catalyzes the transfer of adenosine monophosphate to the 2” position of 4-6-disubstituted aminoglycosides, preventing binding to the 30S ribosomal subunit. Its clinical relevance makes it an important target for structure-based drug design. Previous studies of ANT(2”)-Ia were limited due to the formation of inclusion bodies during ANT(2”)-Ia overexpression (Ekman et al., 2001). Here, we report the increase in protein solubility and stability as a result of cleaving 50 extraneous amino acids from the N-terminus. Overexpression and purification of this construct yields 17 mg of soluble, stable, and active protein per liter of culture. We used heteronuclear single quantum correlation (HSQC) and HNCACB, CBCAcoNH triple resonance NMR experiments to characterize the protein. We sequentially assigned 144 of the 176 non-proline amide backbone residues of ANT(2”)-Ia. Titration analyses of ANT(2”)-Ia with tobramycin and ATP separately at 1:1 concentration ratios show unique global chemical shift perturbations for each, suggesting different binding pockets for both substrates. / Les aminosides sont une classe d'antibiotiques à large spectre qui affectent l'efficacité de la synthèse protéique. Parmi les mécanismes de résistance contre cette classe d'antibiotique, l'inactivation enzymatique est le plus souvent fréquenté. Il existe trois classes d'enzymes capable d'inactiver les aminosides: les N-acetiltransferases (AAC), les O-phosphotransferases (APH), et les O-adeniltransferases (ANT). Cette thèse discutera les familles ANT et APH. Spectinomycin kinase (SpcN), aussi nommé APH(9)-Ib, catalyse la phosphorylation et l'inactivation de l'aminoside spectinomicin exclusivement. Il partage cette spécificité du substrat avec APH(9)-Ia, pour lequel la structure cristallographique à déjà été caractérisée (Fong et al., 2010). Étant donné que les éléments structurels reliés à la liaison du substrat et au site de reconnaissance sont largement conservés parmi les membres de la famille APH, les études sur la configuration tridimensionnelle des APH fournissent des informations importantes sur la relation entre structure et fonction, dont la spécificité du site de reconnaissance par exemple. Cette thèse explique les démarches prisent pour exprimer, solubiliser et purifier SpcN.L'aminoside nucleotidilstransferase 2"-Ia (ANT(2")-Ia) est parmi les enzymes de résistance contre les aminosides les plus souvent fréquentés (Ramirez & Tomalsky, 2010). Il catalyse le transfert de adénosine monophosphate à la position 2" des aminosides 4,6-bisubstituées, ce qui les empêchent de se lier au sous-unité 30S du ribosome. Son importance dans le milieu clinique fait en sorte qu'il et un cible intéressant pour la recherche et le développement d'antibiotiques basée sur les structures tridimensionnelles. À date, les études sur ANT(2")-Ia on été limitées par le fait qu'il s'exprime de façon non soluble (Ekman et al., 2001). Nos études, décrient dans cette thèse, propose une nouvelle forme soluble et active de ANT(2")-Ia qui serait la version plus physiologiquement exacte. Nous avons pu obtenir 17 mg de protéine pure, soluble et active à partir d'un litre de culture. Nous avons fait l'attribution séquentielle des déplacements chimiques des atomes de la chaîne principale par RNM en utilisant des expériences bi- et tri-dimensionnelles, dont HSQC et HNCACB et CNCAcoNH. Nous avons complété l'attribution de 144 des 176 résidus (excluant les prolines). Nous avons aussi fait des analyses de titration avec les substrats de ANT(2")-Ia, ATP et tobramicin séparément, à une concentration de 1:1. Ces analyses démontrent des perturbations globales des déplacement chimiques uniques pour chaque interaction, ce qui suggère que les sites de reconnaissances pour chaque substrat sont différents.

The latch-state is the capacity of smooth muscle to maintain force for long periods of time with low energy consumption. The prevalent theory to explain the latch-state suggests that if myosin gets deactivated (dephosphorylated) while attached to actin, it remains attached and maintains force. Other theories suggest that dephosphorylated and detached myosin can bind to actin to maintain force and that actin regulatory proteins participate in the force maintenance. All theories of the latch-state were based on measurements performed at the whole muscle level and were never confirmed at the molecular level. Verifying the latch-state theories at the molecular level was the main goal of this thesis.To further our understanding of the latch-state, the role of calponin in the binding of unphosphorylated myosin to actin was determined. The laser trap assay was used to measure the average force of unbinding (Funb) in the absence and presence of calponin. Calponin enhanced the Funb. Phosphorylation of calponin with Ca2+-calmodulin dependant protein kinase II, which detaches calponin from actin, decreased the Funb to the unregulated actin level. Performing the measurements at high ionic strength, which detaches calponin from myosin, had the same effect on the Funb. These later two measurements demonstrate that calponin enhances the Funb of unphosphorylated myosin to actin by crosslinking them together. Next, the effect of caldesmon on the Funb was studied; caldesmon enhanced the Funb. Because tropomyosin is known to potentiate biochemical and mechanical effects of caldesmon, its action on the Funb in combination with caldesmon was also measured. Tropomyosin enhanced the Funb on its own but had no synergistic effect with caldesmon. Phosphorylation of caldesmon with the extracellular signal-regulated kinase (ERK) decreased the Funb below the unregulated actin level. Because ERK phosphorylation of caldesmon occurs late in the contraction, this last result suggests a relaxation mechanism from the latch-state. Examination of the force traces revealed a visco-elastic behavior of myosin in the presence of ERK phosphorylated caldesmon which either prevents binding or promotes detachment from actin, thus leading to muscle relaxation. Finally, the ultimate molecular level demonstration of the latch-state requires dephosphorylation of myosin during molecular force measurements with a laser trap assay. However, addition of myosin light chain phosphatase cannot be done without disturbing the single molecule level mechanics measurements. Thus, a microfluidic device was designed and developed to allow the addition of chemicals to a molecular mechanics flow-through chamber without creating any bulk flow. A micro-channel chamber was created by standard photolithography on silicon wafers with the patterns transferred to polymethylsiloxane (PDMS). The chamber was then bound to a polycarbonate membrane which itself was bound to the molecular mechanics chamber. The micro-channels assured rapid distribution of the chemicals whereas the membrane assured efficient delivery but prevented bulk flow. The device was tested by injection of adenosine triphosphate to initiate the propulsion of actin by myosin. The proof of principle of this microfluidic device concludes this thesis. / Le muscle lisse possède la capacité unique de maintenir une force élevée tout en consommant peu d'adénosine triphosphate (ATP); cette propriété est appelée 'latch-state'. La théorie la mieux connue pour expliquer cet état suggère que si la myosine est désactivée (déphosphorylation de sa chaîne légère) pendant qu'elle est attachée à l'actine, elle reste attachée et maintient la force. D'autres théories suggèrent que la myosine désactivée et détachée peut s'attacher à l'actine pour maintenir la force et que les protéines régulatrices de l'actine participent aussi à cet effort. Toutes les théories sur l'état 'latch' ont été extrapolées à partir de mesures réalisées sur la totalité du muscle sans jamais être confirmées au niveau moléculaire. Le but principal de cette thèse était de vérifier les théories de l'état 'latch' au niveau moléculaire. Afin de mieux comprendre l'état 'latch', le rôle de la calponine, dans l'attachement de la myosine non-phosphorylée à l'actine, a été déterminé. Des pinces optiques ont été utilisées pour mesurer la force moyenne de leur détachement (Funb) en l'absence et en présence de la calponine. La calponine a augmenté la Funb. La phosphorylation de la calponine avec l'enzyme protéine kinase II (Ca2+-calmoduline dépendante), qui a pour effet de détacher la calponine de l'actine, a diminué la Funb jusqu'au niveau de l'actine non-régulée. De plus, des mesures de force ont été réalisées à haute force ionique, détachant cette fois-ci la calponine de la myosine. Ceci a aussi diminué la Funb jusqu'au niveau de l'actine non-régulée. Ces résultats montrent que la calponine augmente la Funb de la myosine non-phosphorylée à l'actine par liaison croisée (myosine-calponine-actine). Ensuite, l'effet de la caldesmone sur la Funb a été étudié; la caldesmone augmente aussi la Funb. Puisque la tropomyosine est connue pour promouvoir les actions biochimiques et mécaniques de la caldesmone, son action sur la Funb en combinaison avec la caldesmone a aussi été mesurée. La tropomyosine augmente la Funb lorsqu'elle est seule mais n'a pas d'effet synergétique avec la caldesmone. La phosphorylation de la caldesmone avec la kinase régulatrice des signaux extracellulaires (ERK) a diminué la Funb en dessous du niveau de l'actine non-régulée. Ce dernier résultat suggère un mécanisme de relaxation à partir de l'état 'latch' étant donné que la phosphorylation de la caldesmone par ERK se produit tard dans la contraction. D'autre part, l'examen des traces de force a révélé un comportement viscoélastique de la myosine en présence de la caldesmone phosphorylée, ce qui semble soit prévenir l'attachement, soit promouvoir le détachement de l'actine, menant ainsi à la relaxation du muscle à partir de l'état 'latch'. Finalement, la démonstration ultime de l'état 'latch' au niveau moléculaire requiert la déphosphorylation de la myosine pendant les mesures de forces moléculaires faites à l'aide de pinces optiques. Cependant l'addition de la phosphatase de la chaîne légère de myosine ne peut se faire sans perturber les mesures de mécanique au niveau moléculaire. A cet effet, un appareil micro-fluidique a été conçu et développé pour permettre l'ajout de solutions biochimiques à la chambre de mesure de micromécanique sans créer de débit net. Des micro-canaux ont été créés par photolithographie sur substrats de silicium suivie d'un transfert des formes sur polymethylsiloxane (PDMS). La chambre des micro-canaux a ensuite été collée à une membrane de polycarbonate qui elle a ensuite été collée à la chambre de micromécanique. Les micro-canaux assurent la livraison rapide et uniforme tandis que la membrane assure le transfert efficace des produits biochimiques tout en empêchant un débit net. Le fonctionnement de l'appareil a été vérifié en injectant de l'ATP en présence d'actine et de myosine phosphorylée. La propulsion de l'actine par la myosine a été observée validant ainsi le principe de l'appareil microfluidique.

This thesis presents the design, implementation, and validation of a novel, arterial spin labeling (ASL) perfusion magnetic resonance imaging (MRI) pulse sequence to generate three-dimensional quantitative maps of cerebral blood flow (CBF) in mice at 7 Tesla with an isotropic 281μm resolution. ASL and anatomical scans were registered to a common template using an automated non-linear registration pipeline to allow for voxel-wise inter-scan and inter-subject comparisons of CBF. The technique was applied to the study of a transgenic mouse model of Alzheimer's Disease (AD) which demonstrates many of the characteristic features of cerebrovascular dysfunction present in AD. The technique resolved regions of significant difference between transgenic and wild-type mouse populations using voxel-wise- and region-of-interest-based analyses. These findings are the first to demonstrate the utility of perfusion MRI for population-based analysis of cerebrovascular pathophysiology in transgenic AD mice. / Cette thèse présente la conception et la validation d'un nouveau séquence d'acquisition d'imagerie par resonance magnetique (IRM) pour la marquage des spins des arteres (ASL) pour créer des cartes parametrique en trois-dimensions de debit de sanguin cérébral (CBF) dans les souris à 7 Tesla. avec un résolution isotrope de 281 μm. Les volumes d'IRM anatomique et ASL ont été enregistrées avec un procedure non linéaire pour effectuer des comparaisons de CBF par-voxel entre les scans seriale et entre les animaux. La technique a été appliquée à l'étude d'un modèle de souris transgénique de la maladie d'Alzheimer (MA), qui démontre beaucoup de traits caractéristiques de dysfonctionnement cérébral qui sont présents dans la maladie d'Alzheimer. La technique résolu régions de différence significative entre les populations transgéniques et de type sauvage par les methodes d'analyse par-voxel et par-regions-d'intérêt. Ces résultats sont les premiers à démontrer l'utilité de l'IRM de perfusion au niveau de la population sur l'analyse de physiopathologie vasculaire cérébral dans les souris transgéniques MA.

The aim of this work is to develop and evaluate a primary standard for HDR Ir-192 brachytherapy sources as well as for active spot scanning proton radiotherapy beams based on stagnant 4 °C water calorimetry. / The measurements were performed using an in-house built water calorimeter and a parallel-plate calorimeter vessel. The dose measurement results of the McGill calorimeter were validated in high energy photon beams against Canada's national established primary standard at the NRC. The measurements in brachytherapy were performed with a spring-loaded catheter holder which allowed for the Ir-192 source to come directly inside the water calorimeter. The COMSOL MULTIPHYSICS software was used to solve the heat transport equation numerically for a detailed geometrical model of our experimental setup. In brachytherapy, reference dosimetry protocols were also developed and used to measure the dose to water directly using thimble type ionization chambers and Gafchromic films with traceable Co-60 (or higher energy photons) calibration factor. / Based on water calorimetry standard, we measured an absolute dose rate to water of 361±7 μGy/(h•U) at 55 mm source-to-detector separation. The 1.9 % uncertainty on water calorimetry results is in contrast with the current recommended AAPM TG-43 protocol that achieves at best an uncertainty (k=1) of 2.5 % based on an indirect dose to water measurement technique. All measurement results from water calorimetry, ion chamber, film, and TG-43 agreed to within 0.83 %. / We achieved an overall dose uncertainty of 0.4 % and 0.6 % for scattered and scanned proton radiation water calorimetry, respectively. The water calorimetry absorbed dose to water results agreed with those obtained through the currently recommended IAEA TRS-398 protocol (measurements made using an ionization chamber with a Co-60 calibration factor) to better than 0.14 % and 0.32 % in scattered and scanned proton beams, respectively. / In conclusion, this work forms the foundation for a primary standard in Ir-192 brachytherapy and scanning proton radiotherapy using water calorimetry. Not only have we been able to directly and absolute measure the absorbed dose to water, but the uncertainties of dose results over the current accepted protocols have been improved dramatically. / L'objectif premier de ce travail est de déveloper un standard de référence pour des sources à haut taux d'irradiation Ir-192 utilisées en curiethérapie ainsi qu'un autre standard pour un protocole calorimétrique d'irradiation par balayage focalisé avec proton de l'eau inerte à 4 °C. / Les mesures ont été effectuées à partir d'un calorimètre concu et réalisé ici à McGill et d'un autre contenant calorimétrique à plaques parallèles. En curiethérapie calorimetrique Ir-192, un support additionel à ressort pour un catheter a été utilisé permettant l'introduction des sources dans l'eau du calorimètre. Les résultats dosimétriques obtenus par faisceaux d'irradiation à haute énergie de protons dans le calorimètre de McGill, ont été validé par rapport aux standard primaires du NRC du Canada. Le logiciel « COMSOL MULTIPHYSICS » a permi de résoudre les équations numériques de tranfert de chaleur afin de modéliser géométriquement notre montage experimental. / En se référant aux standards calorimétriques de l'eau, nous avons mesuré un taux de dose absolu à l'eau de 361±7 μGy/(h•U) à 55 mm de l'interface de la source et au détecteur. L'incertitude de 1.9% des résultats calorimétriques mesurés Dw sont en contradiction avec l'actuel protocole recommendé par l'AAPM TG-43 qui propose au mieux une mesure d'incertitude de 2.5% avec k=1 basé sur une mesure de transfert d'énergie rayonnante par unité de volume de matière désigné par « air-kerma strength . » / En thérapie d'irradiation par protons et en relation avec les propiétés calorimétriques de l'eau, nous avons obtenu une mesure d'incertitude de dose de 0.4% et 0.6% respectivement pour un faisceau de protons dispersé d'une part et d'un faisceau balayé d'autre part. Ceci représente une amélioration significative par rapport à la valeur d'incertitude exprimée de 2.5% du protocole presentement recommendé IAEA TRS-398 pour k=1 de l'indice Dw. Les résultats absolus de mesures calorimétriques de l'indice Dw sont indirectement en accord avec l'incertitude proposé par protocole TRS-398 et meilleurs de 0.34% et 0.42% respectivement pour un faisceau de protons dispersé d'une part et faisceau balayé d'autre part.

There have been relatively few examinations of the microstructure of the human ascending aorta and none relating it to the biochemical composition and the tissue mechanics. This study uses multiphoton microscopy, an innovative new tool in biological imaging, to study the structure of the two proteins elastin and collagen in the ascending aorta. Healthy and dilated ascending aortic tissue was examined at two regions, the inner curvature and outer curvature. Dilated aortas were classified by aortic valve type. The morphology of the fenestrations in the elastic laminae and the collagen fibers were quantified. The results show variation of microstructure by aortic valve type and also by region. Correlations between the microstructures and the biochemical composition and the tissue mechanics suggest that multiphoton microscopy could potentially be used for rapid determination of biochemistry and biomechanics of human ascending aortic tissue d uring surgery. This study demonstrates that vessel wall remodeling occurs with ascending aorta dilation. / Peu d'études portent sur la microstructure de l'aorte ascendante humaine et aucune relative à la composition biochimique et à la mécanique des tissus ont été réalisées. Cette étude utilise la microscopie multiphotonique, un nouvel outil employé en imagerie biologique, afin d'étudier la structure de deux protéines, l'élastine et le collagène, dans l'aorte ascendante. Des tissus en santé d'aortes ascendantes dilatées ont été examinés dans deux régions, la courbure intérieure et extérieure. Les aortes dilatées ont été classées par type de valve, bicuspide ou tricuspide. La morphologie des fenestrations dans les lames élastiques de l'aorte ainsi que les fibres de collagène ont été quantifiées. Les résultats démontrent une différence dans les divers types de valve aortique et également dans les différentes régions analysées. Les corrélations entre la microstructure et la composition biochimique ainsi que la mécanique des tissus suggèrent que la microscopie multiphotonique pourrait être utilisée pour la détermination rapide de la biochimie et la biomécanique de l'aorte ascendante humaine lors de chirurgies aortiques. Cette étude démontre que le remodelage de la paroi se produit simultanément avec la dilatation de l'aorte ascendante.