Un endothélium vasculaire rétinien quiescent est essentiel dans l’approvisionnement et le maintien de l’homéostasie tissulaire afin d’assurer la fonction visuelle. L’hyperglycémie chronique dans le diabète peut mener à des complications reliées à plusieurs changements structuraux et fonctionnels de l’endothélium. Ces changements se manifestent souvent par des vaisseaux instables et hyperperméables, résultant en un tissu rétinien inadéquatement perfusé. Ces altérations sont rencontrées dans la pathophysiologie de l’œdème maculaire diabétique (OMD) qui affecte plus du quart des diabétiques. L’inhibition du facteur de perméabilité vasculaire VEGF-A a révolutionné le traitement de l’OMD, mais est aussi associée à des effets secondaires non négligeables reliés à leur non-spécificité et à une compréhension incomplète des mécanismes régulant la perméabilité vasculaire. Un ciblage spécifique de l’endothélium permettant la récupération de la quiescence et la stabilité physiologique réduisant l’hyperperméabilité pourrait fournir un nouvel outil thérapeutique. La BMP9 (Bone morphogenetic protein 9), qui est mise en circulation par le foie, est connue comme facteur de quiescence et de stabilité vasculaire ainsi que pour son effet sur l’homéostasie du glucose. Ces aspects étant peu documentés dans un contexte diabétique, nous avons évalué les capacités de la BMP9 sur la stabilisation de l’endothélium rétinien et ses effets paracrines/autocrines sur la gluconéogenèse hépatique. Nous avons démontré que la signalisation canonique de la BMP9/Smad1,5,9 via son récepteur spécifique à l’endothélium Alk1, était déficiente dans un modèle murin de diabète, ce qui exacerbe l’hyperperméabilité endothéliale rétinienne. À l’inverse, la surexpression de la BMP9 par un modèle murin de livraison adénovirale récupère la perméabilité physiologique, associée principalement à un renforcement des jonctions interendothéliales en limitant l’action du VEGF. De plus, nous avons trouvé que la BMP9 améliore le contrôle glycémique chez les souris diabétiques par l’inhibition de la gluconéogenèse hépatique, via la voie non-canonique Alk3/FOXO1. Fondamentalement, ce travail met en évidence les mécanismes régissant la perméabilité endothéliale dans un contexte diabétique, fournissant une alternative thérapeutique contre l’OMD. La régulation de la perméabilité rétinienne par la BMP9 s’effectue à plusieurs niveaux, indirectement par le contrôle glycémique, et directement par la solidification jonctionnelle de la barrière endothéliale rétinienne, réhabilitant ainsi la quiescence et la stabilité de l'endothélium physiologique. / A quiescent retinal vascular endothelium is essential for the supply and maintenance of tissue homeostasis to ensure proper visual function. Chronic hyperglycemia in diabetes can lead to multiple complications related to several structural and functional changes in the endothelium, characterized by unstable and hyperpermeable vessels resulting in an inadequately perfused retinal tissue. These alterations are encountered in the pathophysiology of diabetic macular edema (DME), which affects more than a quarter of diabetics. Inhibition of the vascular permeability factor VEGF-A has revolutionized the treatments of DME but is associated with non-negligible side effects related to their non-specific action combined with an incomplete understanding of the mechanisms regulating vascular permeability. Specific endothelial targeting aiming to recover quiescence and reducing hyperpermeability could provide new therapeutic tools for the treatment or prevention of DME. BMP9 (Bone morphogenetic protein 9), which is produced by the liver, is known as a vascular quiescence and stability factor as well as for its effects on glucose homeostasis. Since these aspects are poorly documented in a diabetic context, we investigated BMP9’s capabilities on endothelium stabilization and its paracrine/autocrine effects on hepatic gluconeogenesis. In our studies, we found that the canonical BMP9/Smad1,5,9 signaling, via its physiological Alk1 endothelium-specific receptor, was deficient in a murine model of diabetes, which exacerbates retinal endothelial hyperpermeability. In contrast, adenoviral overexpression of BMP9 recovers physiological permeability, which was primarily associated with the enhancement of interendothelial junctions by limiting the action of VEGF. In addition, we found that BMP9 improves glycemic control in diabetic mice by inhibition of hepatic gluconeogenesis via the non-canonical ALK3/FOXO1 pathway. Fundamentally, this work highlights new insights of the mechanisms governing endothelial permeability in a diabetic context, providing a therapeutic alternative against DME. Regulation of retinal permeability by BMP9 occurs on several levels, indirectly, through glycemic control, and directly through the junctional solidification of the hyperglycemic retinal endothelial barrier, thus rehabilitating the quiescence and stability of the physiological endothelium.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le cancer de la prostate est le deuxième plus fréquent cancer chez les hommes. La France occupe le troisième rang du taux d’incidence. La curiethérapie bas-débit dose (LDR) est une option de traitement largement utilisée. Au cours de la curiethérapie LDR, des graines radioactives sont implantées en permanence dans la prostate afin de délivrer une dose thérapeutique de façon locale dans la zone cancéreuse tout en épargnant les organes voisins à risque (OAR). Malgré son taux de réussite élevé (75% à 91%), les effets secondaires restent élevés. La dose délivrée à la tumeur dépend des positions d’implantation des graines, ce qui implique que la planification est essentielle. Les systèmes cliniques de planification fournissent automatiquement les positions d’implantation. Cependant, cette prédiction est basée sur un modèle dosimétrique simplifié où le corps humain est considéré comme un volume d’eau. Un autre facteur des erreurs est l’apparition d’un oedème de la prostate impliquant un changement volumétrique. L’oedème peut entraîner une sous-estimation du D90 par exemple il est de 13.6% pour un changement volumétrique de 20%. De plus, l’oedème varie (10% à 96%) entre les patients. Aujourd’hui le mécanisme exact de l’apparition de cet oedème reste inconnu. Nous proposons un système de traitement inverse pour la curiethérapie prostate qui tient compte d’une personnalisation précise de la dosimétrie et de l’oedème. Ces travaux peuvent également être utilisés dans d’autres contextes cliniques, tel que la curiethérapie haut-débit, mais également être adapté pour traiter d’autres organes. Dans le futur, nos travaux porteront sur la personnalisation du modèle biomécanique de la prostate proposé à chaque patient en utilisant des mesures d’élasticité via l’élastographie. En raison des limitations inhérentes à la FEM, l’incorporation du modèle biomécanique de l’oedème dans le système de planification du traitement est coûteuse en temps de calcul. Une méthode alternative, serait de proposer un modèle sans maillage afin d’améliorer la simulation de l’oedème. / Prostate cancer is the second most common cancer in men. Two-thirds of the cases are diagnosed in developed countries and France is ranked third in incidence rate. Low-dose-rate (LDR) brachytherapy is a widely used treatment option. During LDR brachytherapy, radioactive seeds are implanted permanently in the prostate to deliver a therapeutic dose locally in the cancerous region while sparing the organs at risk (OARs). Despite its high success rate (75% to 91%), the side-effects (sexual and urinary problems) remain high. The dose delivered to the tumor depends on the implantation positions of the seeds, which implies that treatment planning is essential. Clinical inverse planning systems automatically provide optimal implantation positions. However, this prediction is based on a simplified dosimetric model where the human body is considered an infinite volume of water. Another important factor that induces treatment errors is the occurrence of prostate edema during brachytherapy that involves volumetric changes of the organ. Edema can lead to a significant underestimation of the D90, for example, by 13.6% for a volumetric change of 20%. Moreover, the edema magnitude varies considerably (10% to 96%) between patients. Today the exact mechanism of edema formation remains unknown. We propose in this thesis a system of inverse treatment for prostate brachytherapy which considers a precise personalization of the dosimetry but also of the prostate edema. This work can also be used in other clinical contexts, such as high-dose-rate brachytherapy, but also be adapted to treat other organs. In the future, our work will focus on the study of the ability to adapt the proposed prostate biomechanical model to each patient using elastic measurements via prostate elastography. Due to the inherent limitations of FEM, the incorporation of the biomechanical model of edema into the treatment planning system is costly in computation time. An alternative method would be to propose a new meshless model to improve the simulation of edema during intraoperative planning.

La mort cérébrale est associée à une dysfonction cardiaque globale et à des lésions pulmonaires aiguës. Nous avons étudié l’implication de l’inflammation et de l’apoptose dans trois modèles de dysfonction cardiaque droite associée à de l’hypertension pulmonaire. Nous avons développé un nouveau modèle de mort cérébrale mimant une hémorragie cérébrale. Dans ce modèle, nous avons étudié les mécanismes pathobiologiques et pathophysiologiques impliqués dans ces dysfonctions et en utilisant le methylprednisolone en prétraitement. La mort cérébrale est associée à une dysfonction ventriculaire droite et à un œdème pulmonaire neurogénique avec un lien étroit entre ces dysfonctions et l’activation de processus inflammatoires et apoptotiques. L’entité fonctionnelle « ventricule droit-poumon » semble particulièrement touchée par la mort cérébrale. Les corticoïdes préviennent ces perturbations par un effet vasodilatateur et par un contrôle partiel des voies inflammatoires et apoptotiques. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse a pour objet l’étude de nouvelles méthodes de traitement d’image appliquées à l’analyse d’images numériques du fond d'œil de patients diabétiques. En particulier, nous nous sommes concentrés sur le développement algorithmique supportant un système de dépistage automatique de la rétinopathie diabétique. Les techniques présentées dans ce document peuvent être classées en trois catégories: (1) l’évaluation et l’amélioration de la qualité d’image, (2) la segmentation des lésions, et (3) le diagnostic. Pour la première catégorie, nous présentons un algorithme rapide permettant l’estimation numérique de la qualité d’une seule image à partir de caractéristiques extraites de la vascularisation et de la couleur du fond d'œil. De plus, nous démontrons qu’il est possible d’augmenter la qualité des images et de supprimer les artefacts de réflexion en fusionnant les informations extraites de plusieurs images d’un même fond d'œil (images capturées en changeant le point d’attention regardé par le patient). Pour la deuxième catégorie, deux familles de lésion sont ciblées: les exsudats et les microanévrysmes. Deux nouveaux algorithmes pour l’analyse des images du fond d'œil sont proposés et comparés avec les techniques existantes afin de démontrer leur efficacité. Dans le cas des microanévrismes, une nouvelle méthode basée sur la transformée de Radon a été développée. Dans la dernière catégorie, nous présentons un algorithme permettant de diagnostiquer la rétinopathie diabétique et les œdèmes maculaires en analysant les lésions détectées par segmentation d’image; à partir d’une seule image, notre algorithme permet de diagnostiquer une rétinopathie diabétique et/ou un œdème maculaire en ~ 22 secondes sur une machine à 1,6 GHz avec 4 Go de RAM; de plus, nous montrons les premiers résultats de notre algorithme de détection d'œdème maculaire basé sur des images du fond d'œil multiples, qui peut éventuellement permettre d’identifier le gonflement de la macula même si aucune lésion n’est visible. / In this Ph.D. thesis, we study new methods to analyse digital fundus images of diabetic patients. In particular, we concentrate on the development of the algorithmic components of an automatic screening system for diabetic retinopathy. The techniques developed can be categorized in: quality assessment and improvement, lesion segmentation and diagnosis. For the first category, we present a fast algorithm to numerically estimate the quality of a single image by employing vasculature and colour-based features; additionally, we show how it is possible to increase the image quality and remove reflection artefacts by merging information gathered in multiple fundus images (which are captured by changing the stare point of the patient). For the second category, two families of lesion are targeted: exudate and microaneurysms; two new algorithms which work on single fundus images are proposed and compared with existing techniques in order to prove their efficacy; in the microaneurysms case, a new Radon transform-based operator was developed. In the last diagnosis category, we have developed an algorithm that diagnoses diabetic retinopathy and diabetic macular edema based on the lesions segmented; starting from a single unseen image, our algorithm can generate a diabetic retinopathy and ma cular edema diagnosis in _22 seconds on a 1.6 GHz machine with 4 GB of RAM; additionally, we show the first results of a macular edema detection algorithm based on multiple fundus images, which can potentially identify the swelling of the macula even when no lesions are visible.

L'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques sont les acteurs principaux de l'apparition des lésions ischémiques secondaires. L'erythropoïétine (Epo) sous sa forme recombinante humaine possède une activité anti-oedémateuse dans un modèle expérimental de TC diffus. Son action sur l'hypoxie cérébrale post-traumatique reste néammoins méconnue. De plus, les effets indésirables hématologiques de l'Epo ont conduit à la synthèse de dérivés de l'Epo ne possèdant pas d'activité hématopoïétique comme l'érythropoïetine carbamylée (CEpo). Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour but d'évaluer les propriétés de l'Epo et de la CEpo dans le modèle de TC diffus. Un traitement intraveineux par CEpo à la dose de 50 µg/Kg a ainsi permis de diminuer précocemment l'œdème cérébral post-traumatique évalué in vivo par IRM de diffusion et ex vivo par gravimétrie spécifique. Cette propriété a impliqué l'inhibition de la phosphorylation de la voie Erk et s'est accompagnée de l'amélioration des fonctions motrices et cognitives jusqu'à 10 jours après le TC. Après une étude de validation sur des rats sains soumis à différentes conditions d'oxygénation, une méthode de mesure IRM de la saturation locale en oxygène (lSO2) cérébrale combinant l'effet BOLD avec la mesure du volume sanguin cérébral a montré une diminution de l'oxygénation cérébrale post-traumatique. Cette hypoxie cérébrale n'était pas en lien avec une diminution du débit sanguin cérébral attestée par méthode de premier passage d'un agent de constraste. Un collapsus des capillaires cérébraux était par ailleurs retrouvé en microscopie électronique. L'Epo à la dose de 5000 UI/Kg a été capable de restaurer l'oxygénation cérébrale en diminuant l'œdème astrocytaire péricapillaire. L'ensemble de ce travail a permis d'établir les bénéfices d'un traitement par Epo ou par CEpo sur l'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques.

L'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques sont les acteurs principaux de l'apparition des lésions ischémiques secondaires. L'erythropoïétine (Epo) sous sa forme recombinante humaine possède une activité anti-oedémateuse dans un modèle expérimental de TC diffus. Son action sur l'hypoxie cérébrale post-traumatique reste néammoins méconnue. De plus, les effets indésirables hématologiques de l'Epo ont conduit à la synthèse de dérivés de l'Epo ne possèdant pas d'activité hématopoïétique comme l'érythropoïetine carbamylée (CEpo). Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour but d'évaluer les propriétés de l'Epo et de la CEpo dans le modèle de TC diffus. Un traitement intraveineux par CEpo à la dose de 50 µg/Kg a ainsi permis de diminuer précocemment l'œdème cérébral post-traumatique évalué in vivo par IRM de diffusion et ex vivo par gravimétrie spécifique. Cette propriété a impliqué l'inhibition de la phosphorylation de la voie Erk et s'est accompagnée de l'amélioration des fonctions motrices et cognitives jusqu'à 10 jours après le TC. Après une étude de validation sur des rats sains soumis à différentes conditions d'oxygénation, une méthode de mesure IRM de la saturation locale en oxygène (lSO2) cérébrale combinant l'effet BOLD avec la mesure du volume sanguin cérébral a montré une diminution de l'oxygénation cérébrale post-traumatique. Cette hypoxie cérébrale n'était pas en lien avec une diminution du débit sanguin cérébral attestée par méthode de premier passage d'un agent de constraste. Un collapsus des capillaires cérébraux était par ailleurs retrouvé en microscopie électronique. L'Epo à la dose de 5000 UI/Kg a été capable de restaurer l'oxygénation cérébrale en diminuant l'œdème astrocytaire péricapillaire. L'ensemble de ce travail a permis d'établir les bénéfices d'un traitement par Epo ou par CEpo sur l'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques. / Post-traumatic brain oedema and brain hypoxia play a key role for the development of secondary ischaemic lesions. Erythopoïetin (Epo) is an anti-oedematous agent in the impact-acceleration model. However its action on brain hypoxia remains unkonwn. Neuroprotective derivatives of Epo that lack haematopoïétic properties, like carbamylated Epo (CEpo), have been developped to counter Epo side effects. In this context, our study aimed to assess the effect of Epo and CEpo on post-traumatic diffuse brain oedema and brain oxygenation. CEpo (50 µg/Kg) decreased brain oedema assessed by diffusion-weighted MRI and specific gravimetry 6 hours after the trauma. The anti-oedematous effect of CEpo was linked to Erk inhibition and was associated with an improvement of cognitive and motor functions, evaluated until 10 days after the insult. MRI using the combination of BOLD contrast and blood volume fraction measurement demonstrated a decrease of local brain oxygenation in our model, without franck ischemia (measurement of mild transit time by a first passage method). Epo (5000 UI/Kg) improved brain oxygenation by decreasing post-traumatic cerebral capillaries collapse due to astrocytic end-foot swelling. All these results demonstrated that Epo and CEpo could be seen as promising neuroprotective agents in traumatic brain injury.

L'objectif général de notre travail de thèse a été d'évaluer le rapport bénéfice/risque cardiovasculaire de l'exercice immergé. L'exercice immergé est contraignant pour le système cardiovasculaire. Il est potentiellement responsable d'une majoration de la perméabilité et/ou du gradient de pression de la barrière alvéolo-capillaire. Cet effet passe par le biais d'un accroissement des charges cardiaque et respiratoire, une sécrétion de peptides natriurétiques et une hémodilution. L'exposition au froid, la consommation d'anti-inflammatoires non stéroïdiens et la réalisation d'un exercice de forte intensité majorent le risque de survenue d'un oedème pulmonaire d'immersion. L'exercice immergé a également des effets bénéfiques. La pratique d'un sport aquatique aurait le même effet anti-hypertenseur que les activités réalisées en ambiance sèche. Par ailleurs, des différences de sollicitation endothéliale pourraient exister, en fonction des modalités d'exercice ou de la position du sujet. L'exercice immergé pourrait être plus efficace sur la perte de poids et le contrôle des facteurs de risque cardiovasculaires métaboliques, par le biais des sécrétions endocrines qu'il induit. Enfin, le réchauffement cutané associé à l'immersion dans une eau thermiquement neutre semble cardio-protecteur. / The aim of our PhD was to hold up the knowledge about risks and benefits of immersed exercise.Immersed exercise is a stress for cardiovascular system. It may result in an increase in permeability and/or pressure gradient, at the level of alveolar-capillary membrane. These effects result from an increase in cardiac and respiratory load, a natriuretic peptide secretion, and hemodilution. Exposure to cold, non-steroïdal anti-inflammatory drugs, and high intensity exercise increase the risk of a pulmonary oedema of immersion occurrence. Immersed exercise also have beneficial effects. Our observatsion suggest that immersed exercise have the hypotensive effects as ambient air exercise. Differences in endothelial stimulation may exist, depending on exercise modalities. Immersed exercise may even be more efficient on weight loss and cardiovascular risk factors control than ambient air exercise, through alterations in endocrine secretions. At the end, the global warming of the skin related to immersion in thermoneutral water appears to be cardio-protective.