Cette thèse constitue à la fois un apport de nature clinique et technologique dans l’approche diagnostique du glaucome. Plus précisément, nous nous proposons d’étudier une nouvelle façon de détecter le glaucome par la mesure de l’asymétrie du rapport de la surface de l’anneau neurorétinien et de la surface de la papille ou du disque optique ou rim to disc area asymmetry ratio (RADAAR). Pour atteindre cet objectif, nous avons recours à une base de données composée d’une population subdivisée en 4 différents groupes de diagnostic (normal, glaucome possible, glaucome probable et glaucome définitif). Les mesures du RADAAR sont calculées de différentes façons à partir des paramètres stéréométriques de la tête du nerf optique des sujets, produits par la microscopie confocale à balayage laser (Heidelberg Retina Tomograph (HRT) (Heidelberg Engineering, Germany)). Nous procédons à une analyse de données grâce au logiciel SPSS où nous mettons en exergue la distribution du RADAAR dans les différentes populations, sa validité et son utilité dans le dépistage du glaucome. Nous enrôlons donc 523 sujets dans cette étude avec 82 sujets atteints de glaucome définitif. La moyenne d’âge est de 62 ans. Il y a plus de femmes que d’hommes et plus de Caucasiens que d’Africains Caribéens. Nous trouvons que la distribution de la mesure du RADAAR est différente des sujets d’un groupe de diagnostic à l’autre. En termes de performance, la sensibilité de la mesure du RADAAR est très basse c'est-à-dire que sa capacité de détecter la maladie est basse. En revanche la mesure du RADAAR est plus spécifique c'est-à-dire que sa capacité d’identifier les sujets exempts de la maladie est plus grande. Elle tendrait à être aussi plus performante chez les Africains Caribéens que chez les Caucasiens. De même, elle serait plus sensible chez les hommes que chez les femmes. La mesure du RADAAR est utile si on l’associe à une autre méthode de diagnostic comme l’analyse de Régression de Moorfields (MRA) incluse dans le logiciel du HRT3 spécialement lors de la détection du glaucome dans la population à haut risque. En définitive, nous déterminons que la mesure du RADAAR se veut un outil d’aide au diagnostic. Elle est particulièrement intéressante dans le contexte de dépistage de glaucome. / This thesis describes a new clinical and technological approach to the diagnosis of glaucoma. Specifically, we intend to study a new way to detect glaucoma by measuring rim area to disc area asymmetry ratio (RADAAR). For this purpose, we use a database consisting of a population divided into 4 different diagnostic groups (normal, possible glaucoma, probable glaucoma and definitive glaucoma). The RADAAR measurements are calculated in different ways based on the stereometric parameters of the optic nerve head of subjects, produced by confocal scanning laser ophthalmoscopy (Heidelberg Retina Tomograph (HRT) (Heidelberg Engineering, Germany)). We conduct an analysis of data with SPSS or we put forward the RADAAR distribution in different populations, its validity in detecting open angle glaucoma and its usefulness in screening for glaucoma. We therefore enroll 523 subjects in this study with about 82 subjects with definitive glaucoma. The average age is 62 years. There are more females than males and more Caucasians than Africans Caraibeans. We find that the distribution of RADAAR measures is different in each diagnosis group. In terms of performance, the sensitivity of the RADAAR measurement is very low. So, its ability to detect the disease is low. However the RADAAR measure is much more specific so, its ability to identify subjects free of the disease is high. RADAAR measure would also be much more effective in African Caribbean’s than in Caucasians. Similarly, it would be much more sensitive in males than in females. The RADAAR measurement is useful if it is combined with another method of diagnosis like the Moorfields regression analysis (MRA) included in the HRT3 software especially in case of the detection of glaucoma in populations at high risk. Ultimately, we determine that the RADAAR is an interesting tool for the diagnosis of glaucoma particularly in the context of screening for glaucoma.

Il est connu qu’on retrouve chez les femmes en post-ménopause un risque plus important de développer des maladies oculaires comparativement aux hommes du même groupe d’âge. Il semble que les changements hormonaux, et en particulier la baisse importante des niveaux d’estradiol, secondaires à la sénescence folliculaire constituent un facteur étiologique à long terme. Cela étant, il est légitime de se demander si les variations des niveaux d’hormones sexuelles endogènes peuvent également occasionner des effets à court terme sur les tissus de l’œil. Cette interrogation constitue d’ailleurs le motif principal de l’élaboration de la présente étude. Sachant qu’il se produit chez les femmes non ménopausées des variations continuelles des niveaux d’hormones sexuelles stéroïdiennes au cours de leur cycle menstruel, des femmes en âge de procréer ont été recrutées comme sujets d’étude. Dans un deuxième temps, afin de trouver le paramètre d’intérêt, on a effectué une revue de la documentation scientifique qui révèle un fait bien établi : les estrogènes favorisent la vasodilatation des vaisseaux sanguins par l’intermédiaire du monoxyde d’azote, et permettent, par le fait même, l’accroissement du débit sanguin tissulaire. Or, comment mesurer des variations de débit sanguin dans des tissus oculaires? Comme il est expliqué dans la discussion du présent mémoire, les variations d’oxygénation dans un organe dont le métabolisme est relativement stable sont le reflet de variations de débit sanguin. Grâce à une technique de mesure basée sur la spectroréflectométrie, il est possible de mesurer le taux d’oxyhémoglobine (HbO2) des lits capillaires du disque optique. En observant les variations du taux d’oxyhémoglobine au cours du cycle menstruel chez les sujets, on peut ainsi mesurer l’effet des variations hormonales cycliques sur l’irrigation des tissus oculaires. En somme, l’objectif de cette recherche est de mieux comprendre, en suivant le cycle menstruel des femmes, l’effet des hormones sexuelles endogènes sur l’oxygénation des lits capillaires du disque optique. Étant à la base du métabolisme de l’œil, l’apport en oxygène et en divers substrat véhiculés par la circulation sanguine est important au maintien de la santé oculaire. L’éclaircissement du lien entre les hormones et l’oxygénation de la rétine constituerait un avancement important, puisqu’il permettrait de comprendre pourquoi certaines atteintes oculaires, comme la cécité, touchent davantage les femmes. Les résultats de cette étude ont démontré que le taux d’oxyhémoglobine mesuré dans les lits capillaires du disque optique de l’œil ne subit pratiquement pas de variations significatives durant le cycle menstruel lorsqu’on considère les incertitudes des valeurs mesurées. Également, on observe une variabilité similaire des taux d’oxyhémoglobine mesurés chez les femmes en âge de procréation et chez les hommes du même groupe d’âge. Cela suggère que les changements hormonaux cycliques, qui ne se produisent que chez les femmes, n’occasionnent probablement pas de variation significative mesurable du taux d’oxyhémoglobine. Bref, malgré les effets possibles des estrogènes sur le diamètre artériolaire, il semble que les mécanismes locaux de régulation du débit sanguin tissulaire maintiennent un état d’équilibre propre au tissu irrigué et adapté aux besoins métaboliques locaux. / Postmenopausal women, when compared to men from the same age group, are more prone to develop ocular disease. It is thought that long term hormonal changes caused by ovarian senescence, and especially the drop in estradiol, are the etiological mechanism by which this phenomenon occurs. Whether variations in the levels of endogenous sexual hormones can produce short term effects in the tissues of the eye is less understood and, therefore, constitutes the main reason for carrying out the present study. Given that non menopausal women have repeated short term changes in the levels of sex steroid hormones during their menstrual cycle, we have recruited such women as study subjects. We also reviewed the scientific literature to establish what would be the parameter of interest and found a well characterised phenomenon: estrogens promote vasodilation by increasing nitrogen oxide production and thus promote a rise in blood flow. As to measuring variations in blood flow within the eye, it was explained in the discussion of the present memoir that changes in the oxygenation of an organ with a constant metabolism are induced by changes in the blood flow irrigating that organ. Using a method based on spectroreflectometry, it is possible to measure oxyhaemoglobin levels (HbO2) in the capillaries of the optic disc. By studying the variation of the HbO2 levels during the menstrual cycle, we can appreciate the effect of the cyclic hormonal changes on the ocular blood flow. The supply in oxygen and nutrients brought to an organ by its blood flow is essential for its metabolism. Therefore, the discovery of a correlation between sex hormone levels and the oxygenation of the retina would prove to be an important step towards understanding the higher frequency of certain ocular diseases in postmenopausal women, as compared to men of the same age group. The results of our study show that HbO2 levels in the capillary beds of the optic disc do not undergo statistically significant variations during the menstrual cycle. The same results were found, during a similar observational period, for male subjects used in the study as controls. These results suggest that cyclic variations in the levels of sex hormones, which occur only in nonmenaopausal women, do not induce significant changes in the oxygenation of the optic disc. In short, despite the possible effect of estrogens on the arteriolar diameter, it seems that local regulatory mechanisms of the blood flow maintain a tissue in a state of equilibrium that is adapted to its specific metabolic demand.

La dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD, pour l’abréviation du terme anglais « Fuchs endothelial corneal dystrophy ») est une maladie de l'endothélium cornéen. Sa pathogenèse est mal connue. Aucun traitement médical n’est efficace. Le seul traitement existant est chirurgical et consiste dans le remplacement de l’endothélium pathologique par un endothélium sain provenant de cornées de la Banque des yeux. Le traitement chirurgical, en revanche, comporte 10% de rejet immunologique. Des modèles expérimentaux sont donc nécessaires afin de mieux comprendre cette maladie ainsi que pour le développement de traitements alternatifs. Le but général de cette thèse est de développer un modèle expérimental de la FECD en utilisant le génie tissulaire. Ceci a été réalisé en trois étapes. 1) Tout d'abord, l'endothélium cornéen a été reconstruit par génie tissulaire en utilisant des cellules endothéliales en culture, provenant de patients atteints de FECD. Ce modèle a ensuite été caractérisé in vitro. Brièvement, les cellules endothéliales cornéennes FECD ont été isolées à partir de membranes de Descemet prélevées lors de greffes de cornée. Les cellules au deuxième ou troisième passages ont ensuite été ensemencées sur une cornée humaine préalablement décellularisée. Suivant 2 semaines de culture, les endothélia cornéens reconstruits FECD (n = 6) ont été évalués à l'aide d'histologie, de microscopie électronique à transmission et d’immunomarquages de différentes protéines. Les endothélia cornéens reconstruits FECD ont formé une monocouche de cellules polygonales bien adhérées à la membrane de Descemet. Les immunomarquages ont démontré la présence des protéines importantes pour la fonctionnalité de l’endothélium cornéen telles que Na+-K+/ATPase α1 et Na+/HCO3-, ainsi qu’une expression faible et uniforme de la protéine clusterine. 2) Deux techniques chirurgicales (DSAEK ; pour « Descemet stripping automated endothelial keratoplasty » et la kératoplastie pénétrante) ont été comparées pour la transplantation cornéenne dans le modèle animal félin. Les paramètres comparés incluaient les défis chirurgicaux et les résultats cliniques. La technique « DSAEK » a été difficile à effectuer dans le modèle félin. Une formation rapide de fibrine a été observée dans tous les cas DSAEK (n = 5). 3) Finalement, la fonctionnalité in vivo des endothélia cornéens reconstruits FECD a été évaluée (n = 7). Les évaluations in vivo comprenaient la transparence, la pachymétrie et la tomographie par cohérence optique. Les évaluations post-mortem incluaient la morphométrie des cellules endothéliales, la microscopie électronique à transmission et des immunomarquage de protéines liées à la fonctionnalité. Après la transplantation, la pachymétrie a progressivement diminué et la transparence a progressivement augmenté. Sept jours après la transplantation, 6 des 7 greffes étaient claires. La microscopie électronique à transmission a montré la présence de matériel fibrillaire sous-endothélial dans toutes les greffes d’endothelia reconstruits FECD. Les endothélia reconstruits exprimaient aussi des protéines Na+-K+/ATPase et Na+/HCO3-. En résumé, cette thèse démontre que les cellules endothéliales de la cornée à un stade avancé FECD peuvent être utilisées pour reconstruire un endothélium cornéen par génie tissulaire. La kératoplastie pénétrante a été démontrée comme étant la procédure la plus appropriée pour transplanter ces tissus reconstruits dans l’œil du modèle animal félin. La restauration de l'épaisseur cornéenne et de la transparence démontrent que les greffons reconstruits FECD sont fonctionnels in vivo. Ces nouveaux modèles FECD démontrent une réhabilitation des cellules FECD, permettant d’utiliser le génie tissulaire pour reconstruire des endothelia fonctionnels à partir de cellules dystrophiques. Les applications potentielles sont nombreuses, y compris des études physiopathologiques et pharmacologiques. / Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is a primary disease of the corneal endothelium. Its pathogenesis is poorly understood. No medical treatment is effective. Surgical treatment (the only available treatment) carries 10% of immunogenic rejection. Experimental models are needed in order to better understand the disease and to investigate potential autologous treatments (to prevent immunogenic rejection). The overall goal of this thesis is to develop an experimental model for FECD using tissue engineering. This was achieved in three steps. 1) An in vitro tissue-engineered FECD model was created and characterized. Briefly, Descemet’s membranes from patients with late-stage FECD undergoing Descemet’s Stripping Automated Endothelial Keratoplasty (DSAEK) were used to isolate and culture FECD endothelial cells. Second or third-passaged FECD endothelial cells were seeded on a previously decellularized human cornea. After 2 weeks in culture, TE-FECD corneas (n=6) were assessed using histology, transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence labeling of various proteins. TE-FECD endothelium yielded a monolayer of polygonal cells well adhered to Descemet’s membrane. The TE-FECD corneal endothelium expressed the function-related proteins Na+-K+/ATPase α1 and Na+/HCO3-. Clusterin expression was faint and uniform. 2) In order to determine the best surgical procedure to transplant the TE-FECD corneas in the feline model, a DSAEK procedure was evaluated and compared to penetrating keratoplasty technique. DSAEK assessments included surgical challenges and clinical outcomes. DSAEK technique was challenging to perform in the feline model. Rapid fibrin formation was observed in all DSAEK cases (n=5). 3) The in vivo functionality of the TE-FECD corneas was assessed. TE-FECD corneas were grafted in the feline model (n=7) using penetrating keratoplasty procedure and observed for seven days. In vivo assessments included transparency, pachymetry, optical coherence tomography, endothelial cell morphometry, TEM and immunostaining of function-related proteins. After transplantation, pachymetry gradually decreased and transparency gradually increased. Seven days after transplantation, 6 out of 7 grafts were clear. Post-mortem TEM showed subendothelial loose fibrillar material deposition in all TE-FECD grafts. The TE grafted endothelium expressed Na+-K+/ATPase and Na+/HCO3-. This thesis demonstrates that endothelial cells from late-stage FECD corneas can be used to engineer a corneal endothelium. Compared to DSEAK, penetrating keratoplasty is a more appropriate procedure for corneal transplantation in the feline model, since the DSAEK procedure in the feline model presently yields inconsistent clinical results. Restoration of corneal thickness and transparency demonstrates that the TE-FECD grafts are functional in vivo. This novel FECD living model suggests a potential role of tissue engineering for FECD cell rehabilitation. Potential applications are numerous, including pathophysiological and pharmacological studies.

Le glaucome représente la première cause de cécité irréversible à l’échelle mondiale. C’est une maladie neuro-dégénérative caractérisée traditionnellement par une pression intraoculaire (PIO) élevée, un dommage du nerf optique et un défaut du champ visuel correspondant. En fait, la PIO élevée constitue le facteur de risque central associé au développement du glaucome. Cependant, en dépit d’un contrôle adéquat de la PIO, la maladie continue à progresser chez certains patients. Cela montre qu’il existe d’autres facteurs impliqués dans la pathogenèse du glaucome. Des études récentes indiquent qu’un dérèglement de l’oxygène est associé à son développement. En utilisant une nouvelle technologie multi-spectrale capable de mesurer la saturation en oxygène (SaO2) dans les structures capillaires de la rétine, cette étude tentera de déterminer si un état d’oxygénation anormal pourrait se retrouver à la papille optique des patients souffrant de glaucome. Une meilleure compréhension du rôle de l’oxygène pourrait aider à améliorer le pronostic du glaucome. Les résultats de l’étude indiquent que le facteur de position (supérieure, temporale et inférieure de la papille optique) n’a aucun effet sur la mesure SaO2 ainsi que sa variabilité chez les patients normaux. La comparaison de la SaO2 entre les sujets normaux et glaucomateux ne montre pas de différence statistiquement significative. En conclusion, la SaO2 «normale» mesurée dans les yeux glaucomateux n'exclut pas nécessairement que l'hypoxie ne soit pas impliquée dans la pathogenèse. Au moment de l’étude, la PIO était bien contrôlée par des médicaments topiques, ce qui pourrait influencer l’oxygénation à la papille optique. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Traditionally, open-angle glaucoma was defined as a neurodegenerative disease characterized by high intraocular pressure (IOP), progressive retinal cell death with subsequent visual field loss. Elevated IOP has been identified as one of the major risk factors for glaucomatous optic nerve damage. However, adequate IOP control cannot prevent progression of the disease in all patients suggesting that there are other factors involved in the pathogenesis of glaucoma. Recent studies suggest that hypoxia may contribute to the development of glaucoma. Using a new multi-spectral detection system of oxygen saturation (O2Sa), this study determined whether an abnormal state of oxygenation at the optic disc could be found in glaucoma patients. Knowledge about the influence of the oxygen in glaucoma may help to improve the pronostic of the disease. The results of the study indicate that the position factor (superior, temporal and inferior of the optic nerve head) has no effect on the measurement of O2Sa and its variability in normal patients. Comparing the O2Sa between normal subjects and glaucoma subjects shows no statistically significant difference. In conclusion, the «normal» O2Sa measured in glaucomatous eyes does not necessarily exclude that hypoxia is not involved in the pathogenesis of glaucoma because glaucoma patients were under treatment with topical drops that lowered IOP. These medicines could affect the oxygenation of the optic disc.

La rétinopathie diabétique est associée à plusieurs changements pathologiques du lit vasculaire rétinien, incluant l’ouverture de la barrière hémato-rétinienne, l’inflammation vasculaire et la modification du débit sanguin. Récemment, il a été proposé que le récepteur B1 des kinines, qui est surexprimé dans la rétine diabétique, puisse être impliqué dans le développement de ces altérations vasculaires. Ainsi, cette thèse présente les effets de traitements pharmacologiques avec des antagonistes du récepteur B1 sur la perfusion rétinienne, la perméabilité vasculaire, l’infiltration des leucocytes (leucostasie), l’expression de médiateurs de l’inflammation et la production d’anion superoxyde dans la rétine du rat rendu diabétique avec la streptozotocine (STZ). Les résultats obtenus montrent que l’application oculaire (10 µl d’une solution à 1%, deux fois par jour pendant 7 jours) de LF22-0542, un antagoniste hydrosoluble du récepteur B1, bloque significativement l’hyperperméabilité vasculaire, la leucostasie, le stress oxydatif et l’expression génique de médiateurs de l’inflammation (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β et HIF-1α) dans la rétine chez le rat à 2 semaines de diabète. L’administration orale (3 mg/kg) d’un antagoniste non-peptidique et sélectif pour le récepteur B1, le SSR240612, entraîne une diminution du débit sanguin rétinien 4 jours après l’induction du diabète mais n’a aucun effet sur la réduction de la perfusion rétinienne à 6 semaines. Le récepteur B1 joue donc un rôle protecteur au tout début du diabète en assurant le maintien d’un débit sanguin normal dans la rétine; un effet qui n’est toutefois pas maintenu pendant la progression du diabète. Ces données présentent ainsi la dualité du récepteur B1 avec des effets à la fois protecteurs et délétères. Elles suggèrent aussi un rôle important pour le récepteur B1 dans l’inflammation rétinienne et le développement des altérations vasculaires. Le récepteur B1 pourrait donc représenter une nouvelle cible thérapeutique pour le traitement de la rétinopathie diabétique. / Diabetic retinopathy is associated with retinal vascular changes, including blood retinal barrier breakdown, vascular inflammation and blood flow alterations. It has been proposed that kinin B1 receptor, which is upregulated in the diabetic retina, could be involved in the development of these pathological features of diabetic retinopathy. In a rat model of diabetes induced by Streptozotocin (STZ), the effects of kinin B1 receptor antagonists on retinal perfusion, vascular permeability, leukostasis, gene expression of inflammatory mediators and production of superoxide anion in the retina were evaluated. The results show that in 2-week diabetic rats, topical ocular application of the water soluble kinin B1 receptor antagonist LF22-0542 (10 µl of 1% solution, twice per day) for a 7-day period reverses vascular hyperpermeability, leukostasis, oxidative stress and gene expression of inflammatory mediators (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β and HIF-1α) in the retina. Single oral administration (3 mg/kg) of SSR240612, a selective non-peptide B1 receptor antagonist, induces a decrease of retinal blood flow in 4-day diabetic rats but has no effect on retinal blood flow reduction present at 6 weeks of diabetes. Therefore, B1 receptor has a protective role in early diabetes by preserving a normal blood flow in the retina. These data suggest that B1 receptor exerts protective and adverse effects in the diabetic retina. They also support a key role for B1 receptor in retinal inflammation and the development of vascular alterations. B1 receptor could therefore represent a promising therapeutic target for the treatment of diabetic retinopathy.

Les cellules souches ont été présentées comme la clé d’une médecine régénératrice, où la réparation d’un organe, la guérison de maladies dégénératives et la création de nouveaux tissus seraient des objectifs réalisables à court ou moyen terme. Les cellules souches isolées chez un adulte ont un certain degré de spécialisation limitant leur potentiel à leur organe d’origine. Mais l’une d’elles, la cellule souche mésenchymateuse (MSC), possède une versatilité qui en fait une candidate idéale pour plusieurs traitements. Il est communément accepté que les MSC exercent leur effet grâce à la production de facteurs solubles. Toutefois, leur mécanisme d’action reste jusqu’à maintenant imprécis. Ces facteurs ayant le potentiel d’agir dans plusieurs maladies dégénératives, nous avons voulu évaluer leur effet régénératif dans l’une des maladies oculaires les plus répandues, le glaucome à angle ouvert. Cette maladie est caractérisée par une destruction des cellules ganglionnaires de la rétine suite à une élévation de la pression intraoculaire. Cette hausse de pression est souvent engendrée par une dysfonction du trabéculum, le tissu régulant la sortie de l’humeur aqueuse de l’œil. Actuellement, la progression du glaucome peut être contrôlée, mais la maladie ne peut pas être guérie. Or la régénération du trabéculum pourrait arrêter la progression de la maladie et même renverser le processus. Ainsi, l’objectif de cette thèse était de vérifier si les MSC ont le potentiel de favoriser la régénération oculaire dans des cas de glaucome et de comprendre les mécanismes sous-jacents. Pour ce faire, nous avons injecté des MSC ou leurs facteurs sécrétés dans un modèle de glaucome induit par trabéculoplastie laser. Nous avons démontré que les MSC peuvent régénérer le trabéculum endommagé et abaisser la pression oculaire en réactivant des cellules progénitrices dans le corps ciliaire. Ces cellules prolifèrent et s’implantent dans le trabéculum une semaine après le traitement. Nous avons aussi démontré que les facteurs produits par les MSC cultivées en conditions hypoxiques induisent l’activation des cellules progénitrices. Par contre, les MSC cultivées dans un environnement normoxique n’induisent pas cet effet. Nous avons aussi observé que les facteurs produits dans des conditions hypoxiques sont incapables de réactiver les cellules progénitrices ex vivo. Nous avons donc voulu vérifier si d’autres facteurs régénératifs sont engendrés in situ suite à l’injection des MSC. Nous avons ainsi découvert qu’un facteur produit par les macrophages migrant dans la zone endommagée permet de réguler l’activation des cellules progénitrices. Cette production requiert cependant une exposition des macrophages aux facteurs paracrines des MSC. Nous avons aussi observé que l’effet régénératif des MSC était inhibé suite à l’élimination des macrophages de l’organisme. Ceci positionne les macrophages comme un intermédiaire essentiel de l’effet régénératif exercé par les MSC. Les résultats présentés dans cette thèse constituent une avancée importante pour l’utilisation des MSC en médecine régénératrice. Ils ont permis d’établir les bases d’un traitement potentiel pour le glaucome à angle ouvert et d’ajouter une pièce importante à la compréhension des mécanismes régénératifs des MSC. Ces connaissances devraient avoir un impact significatif sur la régénération du tissu oculaire et de plusieurs autres organes. / Stem cells have been presented as the key to regenerative medicine, where organ repair, cures for degenerative diseases and even the creation of new tissue could be achieved. Adult stem cells already possess a certain level of differentiation, which limits their potential effect to the organ where they were isolated. But one subtype, mesenchymal stem cells (MSC), possess a versatility which makes them ideal candidates for many treatments. It is commonly accepted that MSCs exert their effect through paracrine factors, but their precise mechanism of action remains uncertain. As such factors could have a positive effect in many degenerative diseases, we wanted to study their regenerative potential in one of the most widespread ocular disease, open angle glaucoma. This disease is characterised by the destruction of retinal ganglion cells following a rise in intraocular pressure. This pressure rise is mostly caused by a dysfunction of the trabecular meshwork, the tissue regulating the outflow of aqueous humor from the eye. Glaucoma progression can currently be controlled, but the disease cannot be cured. Meanwhile, trabecular regeneration could halt and even reverse disease progression. Thus, the objective of this thesis is to evaluate MSC potential in the regeneration of the trabecular meshwork and to understand any underlying mechanisms. To this end, we injected MSC or their secreted factors in a model of trabeculoplasty induced glaucoma. We demonstrated that MSC can regenerate the damaged trabeculum and lower ocular pressure by reactivating progenitor cells located in the ciliary body. These cells proliferate and restore the trabeculum within one week after the initial treatment. We also demonstrated that MSC factors produced under hypoxic conditions induce progenitor cell activation. Such activation does not occur with MSC factors produced under normoxic conditions. We have also observed that factors produced under hypoxic conditions are incapable of reactivating progenitor cells in an ex vivo setting. Thus, we wanted to verify if any other regenerative factors are produced in vivo after MSC injection. We have discovered that macrophages produce one such factor after their migration in the area of damage. Production of the macrophage factor requires contact with MSC paracrine factors. We have also observed that MSC regeneration was completely blocked following macrophage elimination from the organism. This positions macrophages as an essential intermediate in MSC-mediated tissue regeneration. The results presented in this thesis represent an important step forward for the use of MSC in regenerative medicine. They have established a basis for an open angle glaucoma treatment and added an important element for the comprehension of MSC regenerative mechanisms. This knowledge should have a significant impact for the treatment of ocular diseases and other illnesses in many different organs.

Le système endocannabinoïde (eCB) est une cible thérapeutique intéressante pour traiter diverses conditions variées, allant de la modulation du système immunitaire à la prise en charge de la douleur neuropathique. De plus, le système eCB est impliqué dans les processus développementaux comme l’indique une exposition aux cannabinoïdes au cours du développement qui provoque des troubles neurofonctionnels. En raison de leur nature lipophile, les eCBs ne sont pas emmagasinés, mais sont plutôt synthétisés et dégradés sur demande par des enzymes. Ainsi, l’étude du patron d’expression de ces enzymes permettrait de mieux comprendre l’expression et ainsi le rôle joué par les eCBs pendant la formation du système nerveux central. Le récepteur CB1 est grandement distribué dans le système nerveux, alors que le récepteur CB2 est traditionnellement associé au système immunitaire. La découverte récente de l’expression et de l’impact fonctionnel du récepteur CB2 dans certains neurones, notamment au niveau rétinien, modifie la vision traditionnelle des rôles des eCBs. Notamment, une étude de notre laboratoire a montré que la délétion du récepteur CB2 chez des souris transgéniques (cnr2-/-) provoque une augmentation de l’amplitude de l’onde a en électrorétinographie, celle-ci reflétant l’activité des photorécepteurs rétiniens. Cette étude a mis en évidence l’importance du récepteur CB2 dans la vision, du moins au niveau rétinien. Jusqu’à ce jour, aucune étude ne s’est intéressée à l’impact des cannabinoïdes sur l’acuité visuelle. Nous avons caractérisé la distribution rétinienne des enzymes diacylglycérol lipase alpha (DAGLα) et monoacylglycérol lipase (MAGL), responsables respectivement de la synthèse et de la dégradation du ligand eCB 2-arachidonoyl glycérol (2-AG), pendant le développement postnatal. L’enzyme DAGLα est présente dès la naissance et est grandement distribuée dans la rétine, notamment dans les photorécepteurs, les cellules horizontales, amacrines et ganglionnaires. L’enzyme MAGL apparait plus tardivement et est limitée aux cellules amacrines et de Müller. Nos résultats fonctionnels indiquent que l’acuité visuelle des animaux cnr2-/- est plus élevée autant chez les adultes que pendant le développement postnatal. L’administration répétée d’un agoniste inverse du récepteur CB2 produit une augmentation de l’acuité visuelle similaire à la délétion du récepteur CB2 par génie génétique et inversement, l’administration d’un agoniste du récepteur CB2 diminue l’acuité visuelle. Enfin, l’administration d’un inhibiteur de l’enzyme MAGL, responsable de la dégradation du 2-AG, induit une diminution de l’acuité visuelle similaire à celle obtenue par un agoniste du récepteur CB2 tandis que l’administration d’un inhibiteur de l’enzyme DAGL, responsable de la synthèse du 2-AG, provoque une augmentation de l’acuité visuelle. Ces résultats suggèrent que le 2-AG est fortement présent tôt lors du développement rétinien et qu’il pourrait être impliqué dans la maturation structurelle et fonctionnelle de la rétine. De plus, les expériences fonctionnelles ont démontré que les cannabinoïdes affectent non seulement la réponse rétinienne, mais aussi l’acuité visuelle de manière significative. En outre, ces résultats confirment que les cannabinoïdes induisent leurs effets sur la vision exclusivement par le récepteur CB2. Enfin, les résultats de cette thèse accroissent les connaissances actuelles dans un contexte de légalisation grandissante du cannabis à des fins récréatives, puisqu’ils mettent en évidence l’importance des impacts sur l’acuité visuelle. / The endocannabinoid (eCB) system is a great therapeutic target for the treatment of many diseases, ranging from immune system modulation to pain management. This system is implicated in developmental processes as indicated by neurofunctional afflictions following developmental exposition to cannabinoids. Since eCBs are lipophilic, they are not stored in vesicles but rather synthesized and degraded on demand by specific enzymes. Thus, the expression pattern of these enzymes could help to better understand the expression of eCBs, and their role during central nervous system maturation. The CB1 receptor is strongly distributed in the nervous system, while the CB2 receptor is traditionally associated with the immune system. The recent finding of the CB2 receptor expression and function in some neurons, especially in the retina, changes the dogma associated with cannabinoids. A study from our laboratory found that deletion of the CB2 receptor in transgenic mice (cnr2-/-) enhances the a-wave amplitude in electroretinography, this wave reflecting photoreceptor activity. This report highlighted the importance of the CB2 receptor in vision, at least in the retina. Until now, no study aimed at the impact of cannabinoids on visual acuity. We characterized the retinal distribution of diacylglycerol lipase alpha (DAGLα) and monoacylglycerol lipase (MAGL) enzymes, responsible for the synthesis and degradation of the eCB ligand 2-arachidonoyl glycerol (2-AG) during postnatal development. The enzyme DAGLα is expressed since birth and is greatly distributed across the retina such as in photoreceptors, horizontal, amacrine and ganglion cells. The enzyme MAGL is expressed later during development and is present only in amacrine and Müller cells. Our functional results show that the visual acuity of cnr2-/- mice is enhanced in adults and during postnatal development. The repeated administration of a CB2 receptor antagonist yielded a better visual acuity, and inversely a CB2 receptor agonist decreased the visual acuity. Furthermore, the administration of a MAGL inhibitor, the enzyme in charge of 2-AG degradation, induced a strong decrease in visual acuity, similar to that obtained with a CB2 receptor agonist. Inversely, a DAGL inhibitor, the enzyme responsible for 2-AG synthesis, caused an increase in visual acuity. These results suggest that 2-AG is strongly expressed early during retinal development and could be implicated in structural and functional maturation of the retina. Furthermore, we demonstrated that cannabinoids do not only affect retinal function, but also visual acuity. These results confirm that cannabinoids modulate their visual effects exclusively via the CB2 receptor. Finally, in recent years, many countries legalized cannabis for recreational and therapeutic use. The findings from this thesis increase the understanding of cannabinoids since they highlight the great impact of cannabinoids on the visual acuity.

Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères / This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript

Les dispositifs permettant d'agrandir les images représentent les formes les plus courantes d'aides en réadaptation visuelle. Grâce à un essor technologique considérable, les lunettes électroniques, qui fonctionnent comme des aides grossissantes électroniques (fournissant un agrandissement variable, amélioration du contraste, utilisables les mains libres), sont devenues d'avantage disponibles, efficaces et utilisées par les personnes malvoyantes. Cependant, il existe un manque de données probantes et de connaissances au regard des taux d'abandon des lunettes électroniques, des facteurs prédictifs de leur utilisation, ainsi que sur les interventions efficaces qui pourraient optimiser leur utilisation.Afin de mieux comprendre l'utilisation des lunettes électroniques au sein de la population malvoyante, une étude en trois phases a été menée à travers l’exemple des lunettes eSight dans le but de : 1) examiner et synthétiser les facteurs qui influencent l'utilisation d'aides visuelles grossissantes à l'aide d'un examen de la portée afin de guider les études ultérieures; 2) déterminer à travers une étude transversale quelles sont les variables qui prédisent un changement d’utilisation des lunettes électroniques chez leur usager; et 3) élaborer des recommandations fondées sur des données probantes concernant la faisabilité d'une intervention de téléréadaptation auprès des utilisateurs de lunettes électroniques et étudier l'impact de cette modalité sur l’utilisation de leur dispositif et leur qualité de vie.Les travaux de cette thèse contribuent à soutenir l’idée que le choix d’utiliser des aides visuelles grossissantes dépend de causes multifactorielles. Les facteurs personnels et surtout la motivation représentent des prédicteurs importants. Les difficultés de transport et le manque d’entrainement ont été identifiés comme des obstacles importants à l’utilisation des aides visuelles. D’autre part, l’amélioration de la qualité de vie favorise le maintien de l’utilisation des lunettes électroniques. Compte tenu de ces résultats, un programme de formation personnalisée par téléréadaptation a été mis au point pour répondre aux besoins spécifiques des utilisateurs, offrant une attention individualisée pour optimiser l'utilisation des lunettes électroniques. Cette thèse fournit des preuves sur la faisabilité d'administrer plusieurs sessions d’entrainement en réadaptation de basse vision via la téléréadaptation chez des utilisateurs de lunettes électroniques. Les lunettes électronique eSight améliorent la qualité de vie et la vision fonctionnelle des utilisateurs, qu’elle soit associée à la téléréadaptation ou au programme d’autoformation du fabricant. Cela indique que les instructions fournies par la téléréadaptation ou par l'autoformation proposée dans un contexte commercial sont tout aussi efficaces pour améliorer la qualité de vie et les capacités visuelles et que la téléréadaptation pourrait être offerte comme une modalité de formation allternative. Afin d’orienter les recommandations de pratiques fondées sur des données probantes en matière de téléréadaptation, et de répondre au mieux aux besoins des personnes avec une basse vision, d'autres études examinant les effets de la pratique et de l’entrainement sont nécessaires. / Magnification devices are among the most common forms of aids in low vision rehabilitation. They are intended to increase the level of independence and function during activities of daily living. Novel head-mounted display magnification devices for low vision that operate as electronic vision enhancements (providing variable magnification, contrast enhancement, hands-free use) have become more and more available, efficient and are increasingly being utilized, thanks to considerable technological development. Nevertheless, there is still a lack of knowledge regarding abandonment rates, factors predicting abandonment of such devices, and efficient intervention characteristics that optimize their use.To better understand the use of head-mounted displays throughout the low vision population, a three-phase study has been conducted using eSight Eyewear as an example device in order to: 1) investigate and synthesize barriers and facilitators influencing the use of magnifying visual aids, using a scoping review to guide the subsequent cross-sectional and prospective studies; 2) identify which variables best predict a change in device use among current head-mounted display users, using a cross-sectional design; and 3) develop evidence-based recommendations regarding the feasibility of a telerehabilitation intervention on head-mounted display users and study the impact of this modality on their device use and quality of life.This thesis provides supporting evidence for the multifactorial decision-making process around the use of magnifying visual aids. Device users’ low motivation, transportation to rehabilitation services and insufficient training have been identified as important barriers to magnifying low vision aid use. Improving users’ quality of life helps to maintain the use of head-mounted displays. Considering these findings, a personalized training regime via telerehabilitation was developed to meet specific users’ needs, providing individualizing attention to optimize the use of head-mounted displays. This thesis provides evidence about feasibility of administering several low vision rehabilitation training sessions via telerehabilitation with head-mounted display users. eSight Eyewear, either with telerehabilitation or with the manufacturer self-training standard, improves quality of life and functional vision outcomes.This indicates that instructions provided by telerehabilitation or though the eSight self-training standard are equally successful in improving quality of life and visual abilities outcomes and that telerehabilitation could be provided as an alternative training modality. To help guide evidence-based practice recommendations for low vision telerehabilitation implementation that meet the unique needs of individuals with low vision, further studies examining benefits of practice and training are needed.

La sécurité routière est un enjeu de santé publique et de développement à travers le monde. En 2010, déjà plus d'un milliard de véhicules à travers le monde étaient en circulation (1). En 2016, près de 1,35 million de personnes ont été rapportées comme décédées suite à des accidents de la route (2). Avec des intérieurs de véhicules et des environnements routiers en constante évolution au cours du dernier siècle, les capacités visuelles sont de plus en plus sollicitées entraînant également une contribution accrue des capacités cognitives. Du point de vue scientifique et clinique, l'interaction entre les mécanismes visuels, tels que l'acuité visuelle et les mécanismes cognitifs impliqués pendant la conduite sont encore peu étudiés et à peine promus comme éléments clés du comportement de conduite sécuritaire. L'étude de cette problématique, dont l'impact est sous-estimé au niveau sociétal, est au coeur de ce travail de maîtrise. Si l'acuité visuelle est difficile à relier aux taux d'accidentologie (3, 4), il est cependant reconnu que les capacités visuo cognitives prédisent le taux d'accidentologie sur route à cinq ans (3) et en simulateur de conduite (5). C’est pourquoi dans cette étude, nous avons émis l'hypothèse que, dans un contexte de forte charge cognitive en conduite, une diminution de l'acuité visuelle aurait un impact négatif sur le comportement de conduite. Nous avons examiné si un seuil d'acuité visuelle artificiellement réduit au seuil légal d'obtention du permis de conduire au Canada, et une réduction plus importante induirait un effet sur les performances de conduite. Le comportement de 21 conducteurs âgés de 21 à 34 ans a été mesuré à l'aide du simulateur VS500M dans divers contextes de conduite et de charge cognitive. Un scénario rural de conduite à faible charge cognitive en comparaison à un scénario autoroute de conduite impliquant des tâches de navigation sur GPS ont été utilisés. Deux scénarios de chaque ont été réalisés avec une vision optimale -acuité visuelle de 6/6- et une qualité de vision réduite -acuité visuelle réduite artificiellement à un niveau plus faible pour 11 des conducteurs et une réduction plus importante pour 10 des conducteurs. Les résultats, faisant l'objet d'une publication scientifique à comité de lecture en préparation, démontrent une diminution des capacités à manoeuvrer le véhicule efficacement, notamment une augmentation de la variabilité de la vitesse et de la position latérale du véhicule (SDLP) en contexte de charge mentale élevée, une augmentation de la variabilité de la vitesse en condition de qualité de vision réduite lors de présence de charge mentale élevée ainsi qu'une diminution de la vitesse moyenne et une augmentation de sa variabilité selon les groupes de réduction de qualité visuelle, toujours dans un contexte de charge mentale élevée. Même si le taux de succès reste stable malgré la manipulation expérimentale, les résultats confirment l'importance d'évaluer les enjeux visuels dans des contextes certes quotidiens, mais pour 2 lesquels les interactions avec la cognition sont encore peu considérées. La sollicitation de la vision à des distances intermédiaires par la tâche de GPS, en plus des distances de loin telles que considérées par les aspects normatifs de la législation du permis de conduire, l'augmentation de la charge cognitive associée à cette double tâche de mobilité et de navigation, mais aussi à la réduction de la qualité de vision nous amènent à proposer de nouvelles pistes de recherche dans la discussion de ce mémoire pour mieux comprendre les enjeux des amétropies visuelles, de la presbytie ou bien encore du vieillissement / Road safety is a public health and development issue across the world. In 2010, more than a billion vehicles were already in circulation worldwide (1). In 2016, nearly 1.35 million people were reported as dead after road crashes (2). With ever-changing vehicle interiors and road environments over the past century, visual abilities are increasingly strained resulting in an increased contribution of cognitive abilities as well. From a scientific and clinical point of view, the interaction between visual mechanisms, such as visual acuity and the cognitive mechanisms involved during driving are still little studied and hardly promoted as key elements of safe driving behavior. The study of this problem, the impact of which is underestimated at the societal level, is at the heart of my master's work. While visual acuity is difficult to relate to accident rates (3, 4), it is however recognized that visuo-cognitive abilities predict the road accident rate at five years (3) and in a driving simulator (5). This is why in this study, we hypothesized that, in a context of high cognitive load while driving, a decrease in visual acuity would have a negative impact on driving behavior. We examined whether a visual acuity threshold artificially reduced to the legal threshold for obtaining a driver's license in Canada, and a greater reduction, would have an effect on driving performance. The behaviors of 21 drivers aged between 21 and 34 were measured using the VS500M simulator in various driving and cognitive load contexts. A rural driving scenario with low cognitive load compared to a highway driving scenario involving GPS navigation tasks were used. Two scenarios were carried out by all the participants with optimal vision - visual acuity of 6/6 - and reduced quality of vision -a lower artificially reduced visual acuity 11 of the drivers and a higher one for 10 of the drivers. The results, which are the subject of a peer-reviewed scientific publication in preparation, demonstrate a decrease in the ability to maneuver the vehicle effectively, in particular an increase in the variability of speed and of the standard deviation of lateral position of the vehicle (SDLP) in a context of high mental load, an increase in the variability of speed under reduced vision quality conditions in the presence of a high mental load as well as a decrease in the average speed and an increase in its variability according to the visual quality reduction groups, also in a context of high mental load. Even if the success rate remains stable despite the experimental manipulation, the results confirm the importance of evaluating visual issues in contexts that are admittedly everyday but for which interactions with cognition are still little considered. The solicitation of vision at intermediate distances by the GPS task, in addition to far distances as considered by the normative aspects of driving license legislation, the increased cognitive load associated with this dual mobility task and navigation, but also to the reduction of the quality of vision lead us to propose new avenues of research in discussion of this thesis to better understand the stakes of visual ametropia, presbyopia or even aging.