Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse ont porté sur la modélisation mathématique de la réponse d’une tumeur en traitement par la radiothérapie. Le but étant de fournir aux médecins un outil numérique d’aide pour diagnostiquer le cancer. Comme par exemple, suivre l’évolution du volume de la tumeur pendant et après le traitement, réadapter les stratégies thérapeutiques, etc. Dans un premier temps, nous avons proposé un modèle discret stochastique basé sur une approche multiéchelle. Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur trois différentes échelles de modélisation tumorale : l’échelle microscopique (les cellules dans un voxel), l’échelle mésoscopique (population de cellules dans un voxel) et l’échelle macroscopique (tissu tumoral), avec des interfaces de transition entre ces trois échelles. Au niveau cellulaire, la description est basée sur des probabilités de transfert de phase dans le cycle cellulaire. À l’échelle mésoscopique, nous représentons les populations de cellules selon les différentes étapes d’un cycle cellulaire. Enfin, à l’échelle macroscopique, la description tumorale est basée sur l’utilisation des images médicales PET FDG. Ces trois échelles existent naturellement : les données biologiques sont collectées au niveau macroscopique mais le comportement pathologique de la tumeur est basé sur un cycle cellulaire anormal à l’échelle microscopique. L’introduction d’une échelle mésoscopique a été essentielle pour réduire l’écart entre les deux extrêmes, en termes de transition entre eux. Nous utilisons le modèle multiéchelle discret pour prédire l’évolution temporelle du nombre de cellules tumorales. Par contre, ce modèle n’est pas bien adapté pour prédire l’évolution du volume de la tumeur. Aussi, avons-nous proposé dans un second temps, un deuxième modèle qui est biomécanique et basé sur une équation d’advection réaction. Enfin, les modèles discrets multiéchelle et biomécanique ont été associés pour former un modèle hybride. En effet, le modèle discret est utilisé pour estimer les trajectoires des pressions partielles d’oxygène dans l’environnement tumoral, ces pressions sont ensuite mises en entrée du modèle continu (biomécanique) pour la prédiction de l’évolution du volume tumoral. / The work presented in this thesis focused on the mathematical modeling of tumor response during treatment by radiotherapy. The goal was to provide for doctors a digital tool to help cancer diagnose. For example, monitoring tumor volume during and after treatment, rehabilitating therapeutic strategies, etc. In a first step, we proposed a discrete stochastic model based on a multiscale approach. In this context, we focused on three different scales of tumor modeling :microscopic scale (cells in a voxel), mesoscopic scale (cell population in a voxel) and macroscopic scale (tumor tissue), with transitional interfaces between these three scales. At the cellular level, the description was based on probabilities of phase transfer in the cellular cycle. At the mesoscopic scale, we represented cell populations according to the differents stages of a cell cycle. Finally, on a macroscopic scale, tumor description was based on the use of FDG PET medical images.These three scales naturally exist : the biological data were collected at the macroscopic level but the pathological behavior of the tumor is based on an abnormal cell cycle at the microscopic scale. Introduction of a mesoscopic scale was essential to reduce the gap between the two extremes, in terms of transition between them. We used the discrete multiscale model to predict the temporal evolution of the tumor cells number. On the other hand, this model was not well adapted to predict the tumor volume evolution. Thus, we had proposed a second model which was biomechanical and based on an advection reaction equation. Finally, the discrete multiscale and the biomechanical models had been combined to form a hybrid model. Indeed, the discrete model was used to estimate the oxygen partial pressures trajectories, in the tumor environment. These pressures were then input to the continuous (biomechanical) model for the tumor volume evolution prediction.

Because oxygen is vital to the metabolic processes of all eukaryotic cells, a detailed understanding of its transport and consumption is of great interest to researchers. Existing methods of quantifying oxygen delivery and consumption are non-ideal for in vivo measurements. They either lack the three-dimensional spatial resolution needed, are invasive and disturb the local physiology, or they rely on hemoglobin spectroscopy, which is not a direct measure of the oxygen available to cells. Consequently, many fundamental physiology research questions remain unanswered. This dissertation presents our development of a novel in vivo oxygen measurement technique that seeks to address the shortcomings of existing methods. Specifically, we have combined two-photon microscopy with phosphorescence quenching oximetry to produce a system that is capable of performing depth-resolved, high-resolution dissolved oxygen concentration (PO2) measurements. Furthermore, the new technique allows for simultaneous visualization of the micro-vasculature and measurement of blood velocity. We demonstrate the technique by quantifying PO2 in rodent cortical vasculature under normal and pathophysiologic conditions. We also demonstrate the technique’s usefulness in examining the changes in oxygen transport that result from acute focal ischemia in rodent animal models. / text

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第21192号 / エネ博第366号 / 新制||エネ||72(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 野平 俊之, 教授 萩原 理加, 教授 佐川 尚 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

No description available.

Das Vorkommen von über den Umgebungsdruck erhöhten Sauerstoffpartialdrucken in Geweben ist im Tierreich nur von der Schwimmblase und dem Auge von Knochenfischen bekannt. Die physiologischen Mechanismen dieser Sauerstoffkonzentrierung wurden an der Schwimmblase insbesondere des Aals intensiv untersucht, entsprechende Untersuchungen zu den Vorgängen im Auge der Knochenfische fehlen jedoch. In dieser Arbeit wurde daher eine Methode etabliert, mit der die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Knochenfische an isolierten Augen untersucht werden kann. 1. Das Gefäßsystem der Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) wurde durch Gefäßausgüsse dargestellt. Das im Auge gelegene choroidale Rete mirabile wird über die Arteria ophthalmica, die gleichzeitig die efferente Pseudobranchienarterie darstellt, versorgt. Die Pseudobranchie selber empfängt das Blut aus der efferenten Arterie des ersten Kiemenbogens. Diese Gefäßtopologie, Versorgung der Pseudobranchie mit bereits im ersten Kiemenbogen oxygeniertem Blut und auschließliche Versorgung des choroidalen Rete mirabile mit Blut aus der Pseudobranchie, weist auf die Bedeutung der Pseudobranchie für die Prozesse im Auge hin. 2. Die Retina der Regenbogenforelle wurde mikroskopisch untersucht. Die einzelnen Schichten der Retina entsprechen denen anderer Wirbeltiere. Die Forellenretina ist mit 407 µm aber wesentlich dicker als z.B. die Retina von Mammaliern. Zusätzlich fehlt der Retina der Forelle die bei vielen Mammaliern vorhandene retinale Blutgefäßversorgung. Mit den der Retina am nächsten gelegenen Gefäßen in der Choroidea bestehen bei der Forelle wesentlich größere Diffusionsstrecken von den Blutgefäßen zum Ort des Sauerstoffverbrauchs in den Zellen der Retina als bei anderen Wirbeltieren. Dies wir durch den erhöhten Sauerstoffpartialdruck in den Choriokapillaren kompensiert. 3. Für die Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks wurden im Rahmen dieser Arbeit Sauerstoffmikroelektroden inklusive der zur Betreibung der Elektroden notwendigen Elektronik entwickelt. Die Elektroden waren vom Recess-Typ: die reaktive Oberfläche schloss nicht mit dem Ende der Glaskapillare ab, sondern war unter Belassung eines Hohlraumes in der Elektrodenspitze (Recess) in das innere der Glaskapillare verlagert. Dadurch waren die Elektroden unempfindlich gegenüber Rühreffekten. Die Mikroelektroden hatten eine Spitzendurchmesser von < 10 µm und eine mittlere Empfindlichkeit von 172 fA Torr-1 O2. Die Linearität der Elektroden über eine Partialdruckbereich von 0 bis 760 Torr O2 war besser als r = 0,9998. 4. Zur Überprüfung des normale Sauerstoffpartialdrucks in der Retina wurden Regenbogenforellen betäubt und künstlich ventiliert. Die systemischen Parameter wie arterieller PO2-Wert, Blutdruck und Herzschlag entsprachen dabei im Mittel mit 99 Torr (arterieller PO2), 28 Torr (Blutdruck) und 1,23 Hz (Herzschlag) den Werten unbetäubter, freischwimmender Forellen. Lediglich der arterielle pH-Wert war mit 8,02 während der künstlichen Ventilation durch eine ungenügende Kompensation einer respiratorischen Alkalose leicht gegenüber dem normalen Wert von 7,9 erhöht. 5. Die Auswirkungen der Präparation des Auges zur Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks auf den Augeninnendruck wurde überprüft. Der Augeninnendruck betrug 4,9 Torr. Die Einbringung der Sauerstoffmikroelektrode hatte keine Auswirkung auf den Augeninnendruck. Erst das Entfernen der Elektrode nach der Messung führte zu einer deutlichen Verringerung des Augeninnendrucks. 6. Zum ersten Mal wurde in der vorliegenden Arbeit die Durchblutungsrate des Auges eines Knochenfisches bestimmt. Aus präparatorischen Gründen wurde die Messung an der afferenten Pseudobranchienarterie durchgeführt. Der mittlere Blutfluss in dem Gefäß betrug 745 µl min-1 kg-1. Durch Verschluss des kontralateralen Gefäßes stieg der Fluss auf 135% des ursprünglichen Wertes, da jetzt durch das ipsilaterale Gefäß und über die zwischen den beiden Gefäßen bestehende Anastomose beide Augen durch das ipsilaterale Gefäß mit Blut versorgt wurden. 7. Die Funktion der Retina während der intraretinalen Sauerstoffmessung wurde durch Ableitung des Elektroretinogramms kontrolliert. Trotz der während der Versuche fortbestehenden Betäubung mit dem Betäubungsmittel MS222, welches sich negativ auf das Elektroretinogramm auswirken soll, konnten normale Elektroretinogramme aufgezeichnet werde. Die invasive Messung des intraretinalen PO2 wirkte sich nicht negativ auf die Funktionalität der Retina aus. 8. Der intraretinale Sauerstoffpartialdruck wurde an betäubten, künstlich ventilierten Forellen überprüft. Der mittlere maximale PO2 im Bereich der Bruch´schen Membran betrug 382 Torr. An der Innenseite der Retina wurde ein PO2 von 10 Torr gemessen. Der Bereich des O2-Partialdruckgradienten in der Retina, gemessen über den Vorschub der Sauerstoffmikroelektrode vom niedrigsten bis zum höchsten PO2, betrug 433 µm, ein Wert der gut mit der mikroskopisch bestimmten Dicke der Retina (407 µm) übereinstimmt. 9. Zur Untersuchung der Einflüsse von Blutparametern auf die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Forelle wurden isolierte Augen künstlich mit verschiedenen Erythrozytensuspensionen perfundiert. Dazu wurde zum einen eine Suspension von Forellenerythrozyten eingesetzt, bei der erst der Root-Effekt in Abhängigkeit vom pH-Wert der Suspension bestimmt wurde. Bei basischem pH-Werten war das Hämoglobin der Erythrozyten vollständig gesättigt. Bei einem pH-Wert von 7,68 war noch eine Sättigung von 90% vorhanden, die bis zu einem pH-Wert von 7,31 auf 50% abnahm. 10% Sättigung wurden bei einem pH-Wert von 6,94 erreicht. Für die Perfusion wurde die Suspension der Forellenerythrozyten mit einem pH-Wert von 7,48 eingesetzt. Bei diesem pH-Wert liegt die Sättigung bei ca. 82% und eine Änderung des pH hat in diesem Bereich eine deutliche Änderung der Sättigung zur Folge, was die Freisetzung von O2 von Hämoglobin erleichtert. Als alternative Perfusionslösung wurde eine Suspension von Humanerythrozyten eingesetzt. Humanhämoglobin weist keinen Root-Effekt auf, es kann also durch die im Auge der Knochenfische vorhandenen Mechanismen kein Sauerstoff freigesetzt werden. 10. Der mittlere intraretinale Sauerstoffpartialdruck isolierter Augen betrug bei Perfusion mit der Suspension von Forellenerythrozyten 99 Torr. Nach dem Wechsel auf die Suspension mit Humanerythrozyten fiel der intraretinale Sauerstoffpartialdruck sofort auf 30 Torr ab. Der Perfusionsdruck änderte sich bei dieser Umstellung nicht. Bei Perfusion mit Ringerlösung fiel der intraretinale PO2 auf 20 Torr, gleichzeitig fiel jetzt auch der Perfusionsdruck ab. 11. Eine Konzentrierung des Sauerstoffs konnte bei der künstlichen Perfusion isolierter Augen nicht nachgewiesen werden. Die Notwendigkeit des Root-Effekts für einen hohen Sauerstoffpartialdruck im Auge wird trotzdem deutlich, da bei Perfusion mit einer Suspension von Humanerythrozyten, die einen höheren Sauerstoffgehalt aufwies als die Suspension der Forellenerythrozyten, der intraretinale Sauerstoffpartialdruck deutlich geringer war. 12. Das Modell des isoliert perfundierten Auges ist zur physiologischen Untersuchung des choroidalen Rete mirabile und Sauerstoffkonzentrierung besser geeignet als in vivo - Experimente, da systemische Einflüsse vermieden und die Auswirkungen der Pseudobranchie auf die Blutchemie ausgeschaltet werden können. / Oxygen partial pressures (Po2) above ambient levels are found only in the swimbladder and the eye of teleost fish species. The mechanisms related to the involved oxygen concentration processes have been investigated to some detail in eel swimbladder, but little attention has been paid to analogous mechanisms of the teleost eye. This thesis has accordingly concentrated on developing a method promoting investigation of oxygen concentrating mechanisms in teleost eyes by application of an isolated perfused eye preparation. 1. The vascular supply of eye and pseudobranch in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss, Walbaum, 1792) was depicted by corrosion casts of the vascular system. The choroid rete mirabile is supplied with blood by the ophthalmic artery as the efferent blood vessel of the pseudobranch, with a small anastomosis to the contralateral vessel. The pseudobranch in turn is fed by the efferent artery of the first gill arch. This pattern of serial vascular connection suggests a role for the pseudobranch in the process of providing high oxygen tensions required for the high metabolic demand of the visual perception in the retina. 2. Eyes of various fish species were sectioned after paraffin embedding and examined microscopically. The organisation of teleost fish retinae is characterised by the same features and organisation well known from other vertebrates. However, the total thickness of 407 µm found for the retina of the rainbow is much larger than that observed in other animals such as mammals. The conditions of diffusive oxygen supply of retinal nerve cells is further hampered by the complete lack of intraretinal blood vessels commonly found in mammals. In trout, blood is supplied to only the choroid layer, leaving large diffusion distances to the retinal nerve cells to be spanned by oxygen partial pressures, elevated as compared to the bulk arterial system in the choroid capillaries. 3. Intraretinal oxygen partial pressure was determined in long-term anaesthetised specimens of Oncorhynchus mykiss, using specially developed oxygen microelectrodes and required electronic circuitry. Characteristic features of the electrodes include insensitivity of the signal to stirring, achieved by a recess of the reactive metal surface in a glass capillary, an average tip diameter of less than 10 µm and a characteristic sensitivity to oxygen of 172 fA Torr-1. The response of the electrodes to oxygen was linear over a range of partial pressures from 0 to 760 Torr O2 (r= 0,9998). 4. Normal oxygen partial pressures in trout retina were measured in long-term anaesthetised and artificially ventilated specimens of Oncorhynchus mykiss. In order to conduct the experiments under conditions as close as possible to normal homoiostasis, several systemic valuables were monitored continuously. During experimentation arterial Po2 averaged 99 Torr, mean blood pressure was 28 Torr and heart frequency was on the average 74 bpm, respectively, data in the range of values determined in unanesthetized, freely swimming trout. As the one exception, arterial pH (8,02) was slightly elevated during artificial ventilation as compared to control values (7,89), a shift induced by an inadequately high rate of artificial ventilation. 5. The impact of insertion of electrodes required for intraretinal Po2 measurement into the eye was found to have little effect. The intraocular pressure remained unaffected by opening the eye by puncture with leading cannula and inserted micro-Po2-electrode. The intraocular pressure fell only after removing the electrode after completion of the experiment. 6. Normal function of the retina during experimentation in vivo was checked by repeatedly measuring electroretinograms provoked by light flashes under dark ambient conditions. Although extended anaesthesia with MS222 is expected to affect the electroretinogram in fish, there was no indication of abnormal or reduced electroretinograms during experimentation. Also puncture of the eye with insertion of electrodes did not affect the electroretinogram. 7. Intraretinal Po2 was measured in anaesthetised and artificially ventilated trout. Oxygen profiles were recorded during advancement of the electrode tip though the retina, from the lowest Po2 at the inner surface with about 10 Torr to the highest Po2 in the region of Bruch´s membrane with about 382 Torr, travelling a total distance of 433 µm. This distance closely corresponds to the thickness of the retina measured by microscopic sectioning. 8. Blood flow to the eye as an important parameter for the establishment of an isolated eye preparation was measured in the afferent artery of the pseudobranch. Due to the anatomical situation this represents the closest possible approximation to measurement of flow in the ophthalmic artery. The blood flow was estimated by ultrasonic Doppler techniques with in situ calibration to be 216 µl min-1. Occlusion of the contralateral vessel resulted in an increase of the blood flow in the ipsilateral vessel to 135% of the original as a result of flow through the small anastomosis between the two ophthalmic arteries. This estimate is the first performed for blood flow to the eye of a fish. 9. An isolated eye preparation was used to investigate the influence of specific blood parameters on oxygen concentrating processes in the eye of Oncorhynchus mykiss. Eyes were perfused with suspensions of trout erythrocytes, human erythrocytes and Ringer´s solution. The Root Effect of trout haemoglobin was confirmed in suspension of erythrocytes. The haemoglobin was fully saturated at pH 8.45, still 90% saturated at 7.68, 50% at 7.31 and 10% at pH 6.94. In order to provide optimal starting conditions for the release of oxygen by relatively small changes in pH, pH 7.48 (resulting in 82 % saturation) was chosen for the perfusion of isolated eyes. As a control perfusion, suspensions of human erythrocytes provided a perfusate lacking any Root effect, thus not supporting the oxygen concentrating processes in fish eyes. 10. Perfusion of isolated trout eyes with pH 7.48 trout erythrocyte suspension resulted in an average intraretinal Po2 of 99 Torr, whereas perfusion with human erythrocytes resulted in an immediate decrease of Po2 to (of) 30 Torr, with a further drop to 20 Torr during perfusion with Ringer´s solution. Changes in perfusion between erythrocyte suspensions were performed without any changes in perfusion pressure, but the switch to control perfusion with Ringer´s solution exhibited a drop in perfusion pressure due to the reduced viscosity of the medium. 11. Although perfusion of isolated eyes did not exhibit Po2 above ambient values, the effect of oxygen concentrating processes were clearly indicated by comparison with Root effect-lacking human erythrocyte perfusate (Po2´s of 99 vs. 30 Torr, respectively). 12. It is concluded that studies of oxygen concentrating mechanisms are to be performed preferably on isolated eye preparations. For closer analysis of the involved mechanisms this preparation allows for isolated control of individual parameter of the perfusate. In particular, uncontrolled effects of the pseudobranch on the perfusate can be eliminated.

La2Mo2-yWyO9 (y = 1.0 to 2.0) oxides were synthesized by conventional solid state route and studied by XRD, TC-XRD and DTA. A phase diagram of the series was proposed. The thermodynamically stable phases at room temperature are: for 1.0≤ y ≤1.2 a cubic β-La2Mo2O9 type solid solution, for 1.3≤ y ≤1.575 a biphasic mixture of β-La2Mo2O9 type + α-La2W2O9 type phases, and for 1.6≤ y ≤2.0 a triclinic α-La2W2O9 type solid solution. Inhomogeneous distribution of W is suspected in the biphasic samples. It is clear that the compounds above y =1.2 are not suitable for SOFC applications.Cationic diffusion studies were performed using SIMS on La2Mo2O9 (LMO)/La0.8Sr0.2MnO3-δ (LSM) annealed couples. Rod shaped LaMnO3 grains were observed on LMO pellet and SrMoO4 type phases were seen to be growing on LSM pellet. Hypotheses for possible reaction mechanisms are presented. Bulk diffusion coefficients of Sr and Mn in LMO and of Mo in LSM are extrapolated to be around 1x10-20 cm2.s-1 and 1x10-15 cm2.s-1, respectively, at 800oC. Similar diffusion studies were performed by depositing Mn and Sr cation rich solutions on LMO pellets and Mo rich solution on LSM pellet. Mn solution was observed to be forming, upon annealing, LaMnO3 single crystals on the surface of the LMO pellet. Mo in LSM and Sr in LMO diffusion coefficients appear to be much higher than in LMO/LSM couple experiments, namely around 1-2x10-10cm2.s-1 at 1150°C. Because of the reactivity, LMO/LSM couple is not desirable for SOFC applications, unless an appropriate buffer layer separates them.The stability of LMO and W-LMO was studied under reductive atmospheres. Successive structural changes from LMO to La7Mo7O30 (7730), an amorphous reduced phase La2Mo2O7-δ, and partial decomposition to metallic Mo were observed as a function of oxygen loss. The pO2 stability domain of La2Mo2-yWyO9 did not appear to change with W content, but the reduction kinetics varied with y. At reverse, the stability limit of the 7730 phase was found to be dependent on W content. The amorphous reduced phase can accommodate a wide range of oxygen stoichiometry (7-δ from 6.69 to 6.20), but its stability vs. pO2 is questioned. Resistivity measurements performed on a low compacity crack-free amorphous La2Mo2O7-δ sample showed significant increase in the conductivity (> 1 S.cm-1 at 1000 K) relative to La2Mo2O9, with a pseudo activation energy 0.255eV. It is postulated that n-type electronic conductivity arises from partial reduction of hexavalent Mo6+ to a mixture of Mo3+ and Mo4+.

L'enjeu de cette recherche est l'étude des couches tampons CeO2 et La2Zr2O7 pour supraconducteurs destinés au transport de l'énergie. Nous avons utilisé des méthodes douces et peu onéreuses pour l'élaboration des couches CeO2/SrTiO3 et La2Zr2O7/LaAlO3 tel que la méthode MOD (Metal Organic Deposition) qui s'avère bien adaptée pour la fabrication des couches tampons pour les supraconducteurs déposés (coated conductors). La comparaison de différents précurseurs de Cérium a été faite dans le but d'obtenir le précurseur adéquat pour le processus MOD. Le spin coating a été utilisé pour faire des dépôts de solution de précurseurs Ce(EH)3 et LZ(propionique) sur différents substrats. Les analyses thermogravimétriques des différents précurseurs ont permit la détermination du mode de décomposition (perte de masse en fonction de la température), d'estimer l'humidité absorbée par les précurseurs, de déterminer la température de cristallisation de l'oxyde et de discuter de la nature mixte ou pas du proprionate de lanthane-zirconium. L'analyse de microstructure et de la texture des films CeO2 et La2Zr2O7 est faite par diffraction des rayons X (balayages -2, -scan, -scan et figures de pôles). L'AFM et le MEB ont permis d'étudier la rugosité, la topologie et la morphologie de la surface. Le traitement thermique des couches tampons Ce(EH)3/SrTiO3 et (La(prop)3+ Zr(prop)4)/LAO sous différentes atmosphères nous a permis de différentier la croissance poly cristalline de la croissance épitaxiale. L'élimination du carbone résiduel dans les joints de grains bloquant la croissance des grains a été réalisée par le contrôle de la pression partielle d'oxygène lors du palier de cristallisation ; cette étape permet d'améliorer la texture des couches tampons. La vitesse de montée en température a une influence sur la nucléation dont l'influence a été étudiée. L'augmentation de la vitesse de montée favorise la nucléation hétérogène et diminue le nombre de nucléus, favorisant la naissance de grains épitaxiés plus gros. Finalement, on a réalisé des multicouches CeO2/La2Zr2O7/LaAlO3 et YBaCuO/CeO2/YSZ/IBAD pour valider les différents résultats obtenus.

Human essential hypertension affects over 75 million people in the United States, and can lead to death due to its several serious health complications such as hypertension-related cardiovascular disease. The purpose of this research was to understand how hypertension could cause physiological changes to the microcirculation, specifically the PO2 dependence of oxygen consumption (VO2) in skeletal muscle of normotensive and hypertensive rats. The Spontaneously Hypertensive Rat (SHR) strain was used as the diseased model, and Wistar-Kyoto (WKY) rats were used as controls to conduct this study. The SHR strain develops hypertension between 5-6 weeks after birth with an average systolic blood pressure of 150 mmHg. By arresting blood flow using an objective-mounted inflatable airbag, PO2 measurements were obtained along with an oxygen disappearance curve (ODC), which was used to calculate VO2 over various ranges of physiological PO2 values. PO2 and VO2 curves were analyzed based on Hill’s equation to fit the data and describe the PO2 dependence of VO2. When compared to the healthy Wistar-Kyoto rats, the SHRs exhibited a higher Vmax, or maximum rate of oxygen consumption. The average maximal rate of consumption by the hypertensive animal models could be a consequence of a “mitochondrial uncoupling” or some disconnect in the mitochondrial oxygen consumption and the normal corresponding ATP production. In conclusion, this project demonstrated that in situ muscle tissue from hypertensive and normotensive rats had a PO2 dependence of oxygen consumption over a wide range of physiological PO2 values and the hypertensive rats consumed oxygen at a higher maximal rate.

L’imagerie fonctionnelle cérébrale détecte les changements hémodynamiques induits par un stimulus pour déterminer les zones d’activation neuronale. Plus particulièrement, l’imagerie BOLD en IRMf détecte les changements d’oxygénation du sang grâce aux propriétés paramagnétiques de la déoxyhémoglobine. L’oxygène n’est donc pas uniquement un substrat énergétique pour le tissu neuronal, il joue également un rôle majeur dans l’imagerie noninvasive du cerveau humain. Au cours de ma thèse, j’ai tout d’abord participé à la mise au point d’une nouvelle technique non-invasive d’imagerie de l’oxygène dans le cerveau d’animaux anesthésiés. Couplant un nouveau senseur phosphorescent de l’oxygène (Finikova et al., 2008) et la microscopie biphotonique, cette approche permet à la fois de cartographier l’oxygène en 3D avec une résolution spatiale et temporelle jusqu’alors inégalée, mais aussi de suivre simultanément l’oxygène et le flux sanguin dans les capillaires cérébraux au repos ou lors d’une activation neuronale (Lecoq et al., 2011). Tirant profit des nouvelles possibilités de cette technique, nous avons alors démontré: • la présence d’un shunt artério-veineux uniquement basé sur la diffusion de l’oxygène. Ce résultat, obtenu chez le rat dans la couche la plus superficielle du bulbe olfactif: la couche du nerf (ONL), confirme que l’oxygène ne diffuse pas uniquement à partir des capillaires et démontre que les artérioles contribuent significativement à l’oxygénation du tissu cérébral. Il démontre également qu’il n’est pas possible de déterminer ni la Po2 capillaire ni la Po2 tissulaire à partir de la Po2 veineuse. • l’existence de transitoires de Po2 associés à chaque globule rouge dans le compartiment capillaire, appelés EATs (erythrocyte-associated transients) (Hellums, 1977; Cabrales and Intaglietta, 2007). En bref, de part leur diamètre supérieur à celui de la lumière d’un capillaire, les globules rouges passent un à un dans la lumière des capillaires, laissant entre eux un espace de plasma. Cependant, la faible solubilité de l’oxygène dans le plasma crée une barrière à la diffusion, ce qui se traduit par une inhomogénéité de la Po2 capillaire: celle-ci est élevée au bord du globule rouge et décroit avec la distance pour atteindre un minimum à mi-distance entre deux globule rouges. Poursuivant l’étude des EATs (Parpaleix et al., 2013), nous avons observé les points suivants: • La Po2 tissulaire dans l’environnement immédiat d’un capillaire peut être déterminée à partir de la Po2 vasculaire à mi-distance entre deux érythrocytes. Ce résultat est intéressant en ce qu’il permettra d’effectuer des mesures non invasives de Po2 tissulaire, utile notamment chez l’animal éveillé. • L’amplitude des EATs est si large (35 mmHg en moyenne) que la Po2 capillaire moyenne ne reflète en rien la saturation en oxygène de l’hémoglobine. • Une empreinte filtrée des EATs vasculaires est détectable dans le tissu (_5 mmHg d’amplitude). • Au cours d’une stimulation neuronale, une diminution de la Po2 capillaire moyenne peut être détectée avant l’hyperémie fonctionnelle, un résultat jusqu’à présent controversé dans le domaine de l’imagerie BOLD en IRMf, mais important en ce que ce dip pourrait être un rapporteur très résolutif de l’activation neuronale. Parmi les questions restant en suspens et pouvant être étudiées finement avec notre approche, j’en citerai une principale: quel est le poids des différents facteurs (métaboliques, présynaptiques ou post-synaptiques) et du flux sanguin dans l’établissement de la Po2 cérébrale au repos? / In humans, functional mapping of brain activity mainly relies on the increase of cerebral blood flow (CBF) triggered by neuronal activation. This neurovascular coupling provides energy substrates such as oxygen and glucose to the activated area. The steady state concentration of oxygen, as well as its dynamics upon neuronal activation, have been investigated with numerous methods, however, none of them provided highly resolute measurements in depth. During my PhD, we combined a phosphorescence quenching approach with two-photon microscopy to detect, in depth and with a micrometer spatial resolution scale, the emission of phosphorescence by PtP-C343, a new oxygen nano-sensor designed for two-photon excitation. We first characterized the technique and then reported two biological results, using the olfactory bulb (OB) glomerulus as a model to study oxygen concentration, at rest and upon odor stimulation. We found an arterio-venous shunt, purely based on diffusion, in the superficial nerve layer of the OB, confirming the role of arterioles in brain oxygenation. Simultaneous measurements of Po2 and blood flow allowed us to reveal the presence of erythrocyte-associated transients (EATs), i.e. Po2 fluctuations that are associated with individual erythrocytes. Pursuing the investigation of EAT characteristics, we found that in capillaries, Po2 at mid-distance between two erythrocytes is at equilibrium with, and thus reports Po2 in the nearby neuropil. Finally, we could observe that even in capillaries, a small oxygen initial dip can be detected prior to functional hyperemia, upon odor activation.

Les oxydes La2Mo2-yWyO9 (1,0 ≤y ≤ 2,0) ont été obtenus par voie de synthèse solide-solide et caractérisés par diffraction des rayons X (température ambiante et en température) ainsi que par analyse thermique différentielle. Un diagramme de phase de ce système est proposé. Les phases thermodynamiquement stables à température ambiante sont : pour 1,0≤ y ≤1,2 une solution solide de type β-La2Mo2O9 (cubique); pour 1,3≤ y ≤1,575 un domaine biphasique de phases de type β-La2Mo2O9+ α-La2W2O9 et pour 1,6≤ y ≤2,0 une solution solide de type α-La2W2O9. Dans le domaine biphasique, une distribution inhomogène du tungstène est suspectée. Il est clair que les composés à teneur en tungstène supérieure à y=1,2 ne conviennent pas pour utilisation en piles à combustibles à oxydes solides.Des études de diffusion cationiques par SIMS ont été menées sur des couples La2Mo2O9 (LMO)/La0.8Sr0.2MnO3-δ (LSM) après leurs recuits à haute température. Des cristaux de LaMnO3 en forme de barreau ont été observés sur les pastilles de LMO et la croissance d’une phase de type SrMoO4 a été constatée sur la pastille LSM. Des hypothèses expliquant les mécanismes possibles de diffusion sont présentés. Les coefficients de diffusion en volume du strontium et du manganèse dans LMO et du molybdène dans LSM sont estimés proches respectivement de 1x10-20 cm2.s-1 et 1x10-15 cm2.s-1 à 800°C. Des études similaires de diffusion ont été menées par dépôts de solutions riches en cations manganèse et strontium sur des pastilles de LMO et d’une solution riche en cation molybdène sur une pastille de LSM. Après recuit, la formation de cristaux de LaMnO3 au niveau de la zone de dépôt de la solution de manganèse a été observée. Les coefficients de diffusion du molybdène dans LSM et du strontium dans LMO semblent être beaucoup plus importants -proches de 1-2x10-10cm2.s-1 à 1150°C- que ceux obtenus lors des mesures sur couple LMO/LSM. De par leur réactivité, le couple LMO/LSM ne semble pas adapté pour une application dans le domaine des piles à combustible, sauf si une couche tampon appropriée les sépare.Les stabilités de LMO et de LMO dopé tungstène ont été étudiées sous atmosphères réductrices. Suivant le taux de perte en oxygène, des changements structuraux successifs ont été observés : de phase LMO à La7Mo7O30(7730), phase amorphe réduite La2Mo2O7-δ et décomposition partielle sous forme de molybdène métallique. Le domaine de stabilité de La2Mo2-yWyO9 sous faible pression de O2 ne semble pas dépendant du taux de tungstène alors que la cinétique de réduction, elle, évolue avec y. En revanche, la limite de stabilité de la phase 7730 apparait dépendante du taux de tungstène. La phase réduite amorphe existe sur un large domaine de stoechiométrie en oxygène (7-δ de 6,69 à 6,20), cependant sa stabilité vs. PO2 reste à démontrer. Les mesures de résistivité conduites sur un échantillon amorphe de La2Mo2O7-δ de faible compacité et sans fissure ont montré une augmentation significative de la conductivité (> 1 S.cm-1 à 1000 K) vis-à-vis de La2Mo2O9, avec une pseudo-énergie d’activation de 0.255eV. Il a été supposé qu’une conductivité électronique de type n résulte de la réduction partielle des cations Mo6+ en Mo3+ et Mo4+. / La2Mo2-yWyO9 (y = 1.0 to 2.0) oxides were synthesized by conventional solid state route and studied by XRD, TC-XRD and DTA. A phase diagram of the series was proposed. The thermodynamically stable phases at room temperature are: for 1.0≤ y ≤1.2 a cubic β-La2Mo2O9 type solid solution, for 1.3≤ y ≤1.575 a biphasic mixture of β-La2Mo2O9 type + α-La2W2O9 type phases, and for 1.6≤ y ≤2.0 a triclinic α-La2W2O9 type solid solution. Inhomogeneous distribution of W is suspected in the biphasic samples. It is clear that the compounds above y =1.2 are not suitable for SOFC applications.Cationic diffusion studies were performed using SIMS on La2Mo2O9 (LMO)/La0.8Sr0.2MnO3-δ (LSM) annealed couples. Rod shaped LaMnO3 grains were observed on LMO pellet and SrMoO4 type phases were seen to be growing on LSM pellet. Hypotheses for possible reaction mechanisms are presented. Bulk diffusion coefficients of Sr and Mn in LMO and of Mo in LSM are extrapolated to be around 1x10-20 cm2.s-1 and 1x10-15 cm2.s-1, respectively, at 800oC. Similar diffusion studies were performed by depositing Mn and Sr cation rich solutions on LMO pellets and Mo rich solution on LSM pellet. Mn solution was observed to be forming, upon annealing, LaMnO3 single crystals on the surface of the LMO pellet. Mo in LSM and Sr in LMO diffusion coefficients appear to be much higher than in LMO/LSM couple experiments, namely around 1-2x10-10cm2.s-1 at 1150°C. Because of the reactivity, LMO/LSM couple is not desirable for SOFC applications, unless an appropriate buffer layer separates them.The stability of LMO and W-LMO was studied under reductive atmospheres. Successive structural changes from LMO to La7Mo7O30 (7730), an amorphous reduced phase La2Mo2O7-δ, and partial decomposition to metallic Mo were observed as a function of oxygen loss. The pO2 stability domain of La2Mo2-yWyO9 did not appear to change with W content, but the reduction kinetics varied with y. At reverse, the stability limit of the 7730 phase was found to be dependent on W content. The amorphous reduced phase can accommodate a wide range of oxygen stoichiometry (7-δ from 6.69 to 6.20), but its stability vs. pO2 is questioned. Resistivity measurements performed on a low compacity crack-free amorphous La2Mo2O7-δ sample showed significant increase in the conductivity (> 1 S.cm-1 at 1000 K) relative to La2Mo2O9, with a pseudo activation energy 0.255eV. It is postulated that n-type electronic conductivity arises from partial reduction of hexavalent Mo6+ to a mixture of Mo3+ and Mo4+.