Cardiac arrhythmias, such as ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF), are among the leading causes of death in the industrialized world. There is growing consensus that these arrhythmias are associated with the formation of spiral and scroll waves of electrical activation in mammalian cardiac tissue; whereas single spiral and scroll waves are believed to be associated with VT, their turbulent analogs are associated with VF. Thus, the study of these waves is an important biophysical problem in-so-far-as to develop an understanding of the electrophysiological basis of VT and VF. In this thesis, we provide a brief overview of recent numerical studies of spiral- and scroll-wave dynamics in mathematical models of mammalian cardiac tissue. In addition to giving a description of how spiral and scroll waves can be initiated in such models, how they evolve, how they interact with conduction and ionic inhomogeneities, how their dynamics is influenced by the size and geometry of the heart, we also discuss how active Purkinje networks and passive fibroblast clusters modify the electrical activity of cardiomyocytes, and the relevance of such studies to defibrillation. In Chapter 2 we present a systematic study of the combined effects of muscle-fiber rotation and inhomogeneities on scroll-wave dynamics in the TNNP (ten Tusscher Noble Noble Panfilov) model for human cardiac tissue. In particular, we use the three-dimensional (3D) TNNP model with fiber rotation and consider both conduction and ionic inhomogeneities. We find that, in addition to displaying a sensitive dependence on the positions, sizes, and types of inhomogeneities, scroll-wave dynamics also depends delicately upon the degree of fiber rotation. We find that the tendency of scroll waves to anchor to cylindrical conduction inhomogeneities increases with the radius of the inho-mogeneity. Furthermore, the filament of the scroll wave can exhibit drift or meandering, transmural bending, twisting, and break-up. If the scroll-wave filament exhibits weak meandering, then there is a fine balance between the anchoring of this wave at the inho-mogeneity and a disruption of wave-pinning by fiber rotation. If this filament displays strong meandering, then again the anchoring is suppressed by fiber rotation; also, the scroll wave can be eliminated from most of the layers only to be regenerated by a seed wave. Ionic inhomogeneities can also lead to an anchoring of the scroll wave; scroll waves can now enter the region inside an ionic inhomogeneity and can display a coexistence of spatiotemporal chaos and quasi-periodic behavior in different parts of the simulation domain. We discuss the experimental implications of our study. In Chapter 3 we present a comprehensive numerical study of plane and scroll waves of electrical activation in two state-of-the-art ionic models for rabbit and pig cardiac tissue. We use anatomically realistic, 3D simulation domains, account for muscle-fiber rotation, and show how to include conduction and ionic inhomogeneities in these models; we consider both localized and randomly distributed inhomogeneities. Our study allows us to compare scroll-wave dynamics, with and without inhomogeneities, in these rabbit-and pig-heart models at a level that has not been attempted hitherto. We begin with a comparison of single-cell action potentials (APs) and ionic currents in the Bers-Puglisi (BP) and modified-Luo-Rudy I (mLRI) models for rabbit- and pig-myocytes, respec-tively. We then show how, for plane-wave propagation in rabbit- and pig-heart models, the conduction velocity CV and wavelength λ depend on the distance of the plane of measurement from the plane containing the heart apex. Without inhomogeneities, and in the parameter r´egime in which these models display scroll waves, the rabbit-heart model supports a single scroll wave, which rotates periodically, whereas the pig-heart model supports two scroll waves, which rotate periodically, but with a slight difference in phase; this is partly because the rabbit-heart model is smaller in size, than the pig-heart one. With randomly-distributed inhomogeneities, we find that the rabbit-heart model loses its ability to support electrical activity, even at inhomogeneity concentra-tions as low as 5%. In the pig-heart model, we obtain rich, scroll-wave dynamics in the presence of localized or distributed inhomogeneities, both of conduction and ionic types; often, but not always, scroll waves get anchored to localized inhomogeneities; and distributed inhomogeneities can lead to scroll-wave break up. In Chapter 4, we present a comprehensive numerical study of spiral-and scroll-wave dynamics in a state-of-the-art mathematical model for human ventricular tissue with fiber rotation, transmural heterogeneity, myocytes, and fibroblasts. Our mathematical model introduces fibroblasts randomly, to mimic diffuse fibrosis, in the ten Tusscher-Noble-Noble-Panfilov (TNNP) model for human ventricular tissue; the passive fibrob-lasts in our model do not exhibit an action potential in the absence of coupling with myocytes; and we allow for a coupling between nearby myocytes and fibroblasts. Our study of a single myocyte-fibroblast (MF) composite, with a single myocyte coupled to Nf fibroblasts via a gap-junctional conductance Ggap, reveals five qualitatively different responses for this composite. Our investigations of two-dimensional domains with a ran-dom distribution of fibroblasts in a myocyte background reveal that, as the percentage Pf of fibroblasts increases, the conduction velocity of a plane wave decreases until there is conduction failure. If we consider spiral-wave dynamics in such a medium we find, in two dimensions, a variety of nonequilibrium states, temporally periodic, quasiperi-odic, chaotic, and quiescent, and an intricate sequence of transitions between them; we also study the analogous sequence of transitions for three-dimensional scroll waves in a three-dimensional version of our mathematical model that includes both fiber rotation and transmural heterogeneity. We thus elucidate random-fibrosis-induced nonequilib-rium transitions, which lead to conduction block for spiral waves in two dimensions and scroll waves in three dimensions. We explore possible experimental implications of our mathematical and numerical studies for plane-, spiral-, and scroll-wave dynamics in cardiac tissue with fibrosis. In Chapter 5 we present a detailed numerical study of the electrophysiological in-teractions between a random Purkinje network and simulated human endocardial tissue, (a) in the presence of, and (b) in the absence of existing electrical excitation in the system. We study the dependence of the activation-onset-time (ta) on the strength of coupling (Dmp) between the myocyte layer and the Purkinje network, in the absence of any external stimulus. Since the connection between the endocardial layer and the Purkinje network occurs only at discrete points, we also study the dependence of ta on the number of Purkinje-myocyte junctions (PMJs) at fixed values of Dmp, in the ab-sence of any applied excitation. We study signal propagation in the system; our results demonstrate the situations of (a) conduction block from the Purkinje layer to the endo-cardial layer, (b) anterograde propagation of the excitation from the Purkinje layer to the endocardium, (c) retrograde propagation of the excitation from the endocardium to the Purkinje layer and (d) development of reentrant circuits in the Purkinje layer that lead to formation of ectopic foci at select PMJs. We extend our study to explore the effects of Purkinje-myocyte coupling on spiral wave dynamics, whereby, we find that such coupling can lead to the distortion and breakage of the parent rotor into multiple rotors within the system; with or without internal coherence. We note that retrograde propa-gation leads to the development of reentrant circuits in the Purkinje network that help to initiate and stabilize ectopic foci. However, in some cases, Purkinje-myocyte coupling can also lead to the suppression of spiral waves. Finally we conduct four representative simulations to study the effects of transmural heterogeneity, fiber rotation and coupling with a non-penetrating Purkinje network on a three dimensional slab of cardiac tissue. Lastly, In Chapter 6, we study reentry associated with inexcitable obstacles in the ionically-realistic TNNP model for human ventricular tissue, under the influence of high-frequency stimulation. When a train of plane waves successively impinge upon an obstacle, the obstacle splits these waves as they tend to propagate past it; the emergent broken waves can either travel towards each other, bridging the gap introduced by the obstacle at the time of splitting, or, they can travel away from each other, resulting in the growth of the gap. The second possibility eventually results in the formation of spiral waves. This phenomenon depends on frequency of the waves. At high frequency, the excitability of the tissue decreases and the broken waves have a tendency to move apart. Hence high-frequency stimulation increases the chances of reentry in cardiac tissue. We correlate the critical period of pacing that leads to reentry in the presence of an inexcitable obstacle, with the period of spiral waves, formed in the homogeneous domain, and study how the critical period of pacing depends on the parameters of the model.

L’épithélium digestif est recouvert d’une couche protectrice de mucus, qui est un hydrogel perméable et viscoélastique. La couche de mucus est formée d'un réseau de fibres de mucines. Ces dernières sont des glycoprotéines de haut poids moléculaire avec un squelette protéique riche en sérine et thréonine, lié à une grande variété de O-glycanes qui représentent une source nutritionnelle pour les bactéries et/ou des ligands potentiels pour les adhésines bactériennes, contribuant ainsi probablement à la sélection et l'implantation d'un microbiote régio-spécifique. Nous nous sommes intéressés aux capacités muco-adhésives de L. lactis TIL448 par le couplage de (i) la microscopie à force atomique (AFM), à l'échelle de la cellule unique et en mode statique et (ii) la méthode hydrodynamique en chambre à écoulement cisaillé, à l'échelle de l’ensemble de la population bactérienne. Dans l'optique d'identifier la nature et le rôle fonctionnel des déterminants de surface mis en jeu, nous avons testé, outre la souche sauvage, la souche curée de plasmides TIL1230 et deux mutants TIL1289 et TIL1290, altérés dans la synthèse de pili et d'une protéine "mucus-binding", respectivement. Pour relier les propriétés muco-adhésives et diffusives de L. lactis, les capacités de migration de la souche TIL448 et de ses dérivés ont ensuite été évaluées dans des suspensions de PGM à concentration variable (0,5% et 5% (m/v)), en mettant en œuvre une nouvelle méthode "Diffusion Front Tracking" (DFT). Cette méthode consiste à suivre le front de diffusion de la suspension bactérienne au cours du temps au sein du réseau de PGM, dans une chambre de Hele-Shaw, couplée à une caméra CCD. Les bactéries L. lactis sont préalablement marquées avec la fuschine pour mieux visualiser le front de diffusion. Par ailleurs, nous avons démontré que les bactéries L. lactis ont tendance à être plus diffusives dans PGM 0,5% (m/v) que dans PGM 5% (m/v). La microstructure du réseau de mucines a donc été caractérisée par des approches de microrhéométrie 1 point (1P) et 2 points (2P) et de suivi de particules fluorescentes / The digestive epithelium is covered with a protective mucus layer, regarded as a viscoelastic and permeable hydrogel. Mucins are large glycoproteins with a serine and threonine-rich protein backbone, linked to a wide variety of O-linked oligosaccharide side chains arranged in a bottle-brush configuration. Such O-glycans are nutritive sources for bacteria and/or potential ligands for bacterial adhesins, probably contributing in this way to the selection of the species-specific microbiota. In this thesis, we focused on unraveling multi-scale interactions between a vegetal L. lactis subsp. lactis isolate, TIL448 and a model mucin, Pig Gastric Mucin (PGM). Our study, based on the combination of different biophysical approaches and tools, has allowed dissecting the muco-adhesive and diffusive phenotype of L. lactis TIL448, in relation with the nature of the bacterial surface determinants and the structural, mechanical and rheological properties of the PGM network. Firstly, the muco-adhesion of TIL448 were examined using the single-cell scale AFM measurements with dedicated lacto-probes and shear stress flow chamber experiments at the bacterial population level, under laminar flow conditions. We also tested the plasmid-cured strain and two mutants, obtained by disruption of the genes encoding the major pilin and the mucus-binding protein. Then, the diffusion ability of L. lactis was determined by implementing a novel method, named Diffusion Front Tracking (DFT). It consists of tracking the diffusion front of stained cell suspensions over time within the PGM network. In a second part, in order to have a more thorough understanding of the L. lactis muco-adhesive and diffusive ability, the microstructure and mechanical properties of PGM were determined. Gel microstructure for varying PGM concentration was probed by the analysis of diffusivities of 200-nm and 500-nm fluorescent nanoparticles with different surface properties (carboxyl-terminated, amine-terminated and neutral charged tracers), using fluorescence Multiple-Particle Tracking

Les deux principaux objectifs de cette thèse sont de développer les aspects théoriques et expérimentaux sur la co-méthanisation des déchets fermiers et alimentaires. Les objectifs de nos études portent sur l'élimination du maximum de déchets mis en ISDND, la réduction des pollutions des milieux naturels (eau, sol, air) par les effluents d'élevage, les boues de STEP et sur la mise en disposition d'une source énergétique renouvelable via le biogaz obtenu. Premièrement, nous avons effectué des expérimentations sur la co-méthanisation des effluents liquides, lisier de porc, boues de STEP, et de la vinasse et le mélange de ces effluents d'élevage avec les déjections solides des animaux (fumier, fientes) et des biodéchets (restes de repas). Ces expérimentations avaient pour but de suivre l'évolution du milieu réactionnel en fonction du composant du mélange ainsi co-digéré. Deuxièmement des tests des potentiels méthane et biogaz issus de mélange associant plusieurs types de déchets organiques sous différents états physiques (liquide, semi liquide, pâteux, solide) ont été effectués. La problématique qui se posait étant de savoir parmi les déchets à mélanger, quelle proportion de chaque mono-substrat donnera le meilleur potentiel méthanogène et s'il était possible de mettre en avant des effets synergétiques entre déchets. Nous avons fait appel à un outil statistique, le plan de mélange pour définir les mélanges à tester. Pour un mélange à 3 composants (fumier de vache, lisier de porc, restes de repas), le nombre d'expériences optimum à réaliser a été de 13. La réalisation du plan de mélange, c'est à dire la campagne expérimentale sur les co-méthanisations des 13 mélanges proposés nous a permis d'observer que le potentiel méthane d'un mélange dépend tout premièrement de sa texture (état physique) à l'entrée du processus. Un mélange contenant un maximum en proportion en co-produits liquides (lisier de porc) associé avec le maximum de déchets riches en substrats solubles (restes de repas) nous a donné les meilleurs potentiels méthane et biogaz. Cette observation a été confirmée par le taux de conversion de la matière sèche (MS) en matière volatile (MV) du mélange. Compte tenu du taux de MS, MV et le ratio MV/MS d'un mélange, ainsi que les interactions entre les composants du mélange, une loi permettant de prédire le potentiel biogaz d'un mélange doit considérer ces facteurs. Cette loi doit tenir compte de l'effet positif (synergisme) et l'effet négatif (antagonisme) entre les composants du mélange. Cette loi a été définie dans le but de prédire le potentiel méthane des mélanges constitués de fumier de vache, lisier de porc et restes de repas et se situant à l'intérieur du domaine expérimental défini par les limites sur les proportions minimale et maximale de chaque composant du mélange. Toutefois, cette loi définie n'est applicable qu'aux mélanges d'association de fumier de vache, de lisier de porc et des restes de repas. Cette loi a été définie pour estimer le BMP des mélanges, et ne permet pas de suivre le procédé de la méthanisation. Aussi, pour prédire le volume de biogaz (méthane) journalier ou cumulé de la cométhanisation. / The two main objectives of this thesis are to develop theoretical and experimental aspects of the anaerobic co-digestion of farm wastes associated with food. Our general studies have for objectives the elimination as much as possible the maximum of organic waste into non-hazardous landfills, reduce pollution of natural environments (water, soil, air) by the effluent livestock, sewage sludge, and dispose of energy via the produced biogas.Firstly, we carried out experiments on the anaerobic co-digestion of the liquid effluents association (pig slurry, sewage sludge, vinasse effluents) and the mixture of animal slurries, manures, and food waste. The aim of these experiments was to follow the evolution of the reactor behavior according to the component of the co-digested mixture.Secondly, BMP tests of mixture of association several types of organic waste under different physical condition (liquid, semi liquid, pasty, solid) were carried out. We have been tried to know, which proportion of each mono-substrate will give the best BMP among waste to mix? We used a statistical tool, the mixture design to define the mixtures to be tested. For a mixture with 3 components (cow dung, pig slurry, food waste), the optimum number of experiments to realize was 13.The realization of the mixture design, i.e. the experiment series on the anaerobic co-digestion of the 13 proposed mixtures enabled us to observe that the BMP of a mixture firstly depends on its texture (physical state) at the entry of the process. A mixture containing a maximum in proportion in liquid substrate (pig slurry) associated with food waste gave us the best biogas and methane potential. This observation was confirmed by the conversion rate of dry matter to volatile solid (VS) of the mixture. These results were proven by the activity (synergism, antagonism) of mixtures components influencing to BMP tests.The empiric law defined to predict the BMP of a mixture must to account the rate of VS/DM of a mixture, and the interactions between components of the mixture. This law must also include the positive effect (synergism) and negative (antagonism) between components of the mixture. This law has been defined in order to predict the potential methane mixtures of cow dung, pig slurry and food wastes and being within the experimental domain defined by the limits on minimum and maximum proportions of each component of the mixture. However, this definite law is applicable only to the mixtures of cow dung, pig slurry and food waste. The definite law is limited for prediction of mixtures BMP. However, this empiric law can not be used to follow reactor process. Model with three stages (hydrolysis of soluble substrate, acidogenic production stage and methanogenic stage) was used to predict daily and cumulative of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with vegetable waste. This model must be adapted with substrate type used and experimentations conditions (batch and mesophilic conditions). An adjustment of the model equations describing hydrolysis polymers stage was necessary in order to take into account of the concentration of polymers in particulate forms contained in complex substrates such as manure, slurry, and vegetable food waste. This adapted model was called model of Coupling. Indeed, a calibration of the most influential parameters of the model of Coupling, on the output must be carried out in order to validate the model.Daily and cumulative predictions of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with food waste were obtained by using adapted dynamical model. Model parameters values depend on the substrate type using in experimentation processes. Moreover, parameters values must be verified, needing further work.

Les mycotoxines sont des métabolites secondaires des moisissures qui peuvent naturellement contaminer de nombreux supports (céréales, fruits, papiers peints, compost). Dans ces travaux de thèse, nous avons focalisé notre intérêt sur deux mycotoxines produites principalement par les champignons du genre Fusarium, appartenant toutes deux au même groupe des trichothécènes, le déoxynivalénol (DON) et la toxine T-2 (T-2). Les objectifs de cette thèse ont été de déterminer les effets de ces deux toxines sur la mise en place des réponses immunitaires au sein de la muqueuse respiratoire et intestinale. L’ensemble de ces études a été réalisé chez le porc, espèce cible de ces contaminants et animal modèle pour l’Homme. Les résultats de ces travaux ont montré que ces deux toxines affectent la réponse immunitaire. Au niveau du tractus respiratoire, une faible dose de toxine T-2 altère l’activation des macrophages alvéolaires lorsqu’ils sont stimulés par les agonistes des TLRs -4, -2/6 (lipopolysaccharides et acides lipoteichoïques, respectivement) en diminuant la synthèse du composé antimicrobien NO et des cytokines pro-inflammatoires IL-1β et TNF-α. Cette immunosuppression pourrait alors conduire à une susceptibilité plus accrue des porcs à des infections opportunistes. Au niveau du tractus intestinal, à l’état basal, nous avons mis en évidence que le DON comme la toxine T-2 induit une forte réponse inflammatoire innée associée à la stimulation de la voie IL-17 en inhibant le développement des cellules T régulatrices. Des études mécanistiques ont permis de déterminer que les cytokines associées à la voie IL-17 suite à une exposition aux trichothécènes, sont produites par une des sous-populations de cellules T innées, les cellules Tγδ productrices d’IL-17. La troisième partie de ce travail a porté sur l’utilisation de la souche Lactobacillus sobrius DSM 16698T dans le but de lutter contre les effets immunomodulateurs générés lors d’une exposition aux trichothécènes. Les résultats de ce travail ont montré que cette souche bactérienne est capable de réduire les effets inflammatoires IL-17 et de rétablir les paramètres impliqués dans les fonctions de la barrière intestinale, suite à une exposition ex vivo et in vivo au DON. En revanche, cette souche a peu d’effet contre la toxine T-2. L’ensemble de ce travail de thèse suggère donc qu’une exposition à de faibles doses de trichothécènes pourrait accroître la susceptibilité des animaux aux perturbations de nature infectieuse ou inflammatoire. / Mycotoxins are fungi secondary metabolites that can contaminate a lot of environments worldwild such as cereals, fruits, wallpapers, and compost heaps. Throughout this phD work, we focused on two mycotoxins mainly produced by Fusarium species, both belonging to the trichothecenes group: the deoxynivalenol (DON) and the T-2 toxin (T-2). The aims of this study were to determine the effects of these two toxins on the immune response implementation in respiratory and intestinal mucosa. Studies were performed on swine being a target species of these contaminants and a model species for Humans. The results of these works proved that these two mycotoxins can affect the immune response. In the respiratory tract, a low dose of T-2 toxin alters the activation of the alveolar macrophages when they are stimulated by the agonists of TLRs -4 and -2/6 (lipopolysaccharides and lipoteichoic acids, respectively). This alteration is due to the decrease of the synthesis of the anti-microbial compound NO and the pro-inflammatory cytokines such as IL-1β and TNF-α. This immunosuppression can induce the emergence of opportunist infections in pig. In the intestinal tract, in background level, we demonstrated that DON as well as T-2 toxin induces a strong inflammatory immune response associated with stimulation of IL-17 pathway by inhibiting of the development of regulatory T cells. Mechanistic studies were used to determine the production origin of the cytokin associated to the IL-17 pathway. This cytokine is produced by one of the subpopulations of Tregs, the Tγδ cells IL-17 producing when exposed to trichothecenes. The third part of this work was about the use of Lactobacillus sobrius DSM 16698T strain to counteract the immunomodulatory effects induced after trichothecen exposure. The results of this study showed that this bacterial strain is able to reduce IL-17 inflammatory effect and is also able to re-etablish the parameters involved in the intestinal barrier functions in ex vivo and in vivo response to DON. Nevertheless, this strain is less effective against the T-2 toxin. Taken together, results of this phD suggest that an exposure to low doses of trichothecens could be intensify the susceptibility of animal to infectious or inflammatory disease.

Des progrès importants ont été obtenus dans les principales populations porcines pour les caractères inclus dans l'objectif de reproduction, à savoir la croissance, l'efficacité alimentaire, la composition de la carcasse et, dans les lignées maternelles, la prolificité des truies. Les animaux sélectionnés pour une forte efficacité productive peuvent être particulièrement sensibles à des problèmes comportementaux, physiologiques ou immunologiques, c'est-à-dire être moins robustes. Ces effets défavorables de la sélection sont souvent difficiles à mettre en évidence, car les caractères correspondants ne sont pas systématiquement enregistrés dans les programmes de sélection. L'utilisation d’un stock de sperme congelé est une méthode élégante pour estimer les évolutions génétiques pour un grand nombre de caractères (habituellement non enregistrés). Deux groupes expérimentaux (L77 et L98) ont été produits par l'insémination de truies LW, nées en 1997-1998, soit avec du sperme congelé stocké à partir des verrats LW de 1977, soit avec du sperme frais de verrats nés en 1998. Cette étude a montré que deux décennies de sélection ont permis des progrès importants pour les principaux caractères d'intérêt, mais ont également affecté de façon défavorable des caractères tels que la longévité, le risque de mortalité, la variabilité de caractères, qui suggèrent un effet défavorable de la sélection sur la robustesse des porcs. Nos résultats soulignent la nécessité d'intégrer des caractères liés à la robustesse dans l'objectif de sélection des populations porcines. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches afin de mieux caractériser les différentes composantes de la robustesse et leur impact sur l’efficience, le bien-être et la santé des porcs afin de pouvoir définir les objectifs de sélection les plus pertinents pour l’avenir. / Large improvements have been obtained in major pig populations for traits included in the breeding goal, i.e. growth, feed efficiency, carcass composition and, in maternal lines, sow prolificacy. Animals selected for high production efficiency may in particular be more sensitive to behavioral, physiological, or immunological problems, I.e., be less robust. These adverse effects of selection are often difficult to reveal, as corresponding traits are not routinely recorded in breeding programs. The use of stored frozen semen has been shown to be an elegant method to estimate genetic trends for a large number of (usually not recorded) traits. Two experimental groups (L77 and L98) were produced by inseminating French Large White (LW) sows born in 1997-1998 with either stored frozen semen from the above-mentioned 1977 LW boars or with fresh semen from LW boars born in 1998. This study has shown that 2 decades of selection have resulted in large gains for major traits of interest, but have also adversely affected traits such as longevity, risk of mortality, trait variability, which tend to indicate an unfavorable effect of selection on pig robustness. Our results stress the necessity to integrate robustness related traits in the breeding goal of pig populations. Thus, further research is needed to better characterize the different components of robustness and their impact on pig efficiency, welfare and health to be able to define the most relevant breeding objectives for the future.

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Listeria monocytogenes est une bactérie Gram positif, largement présente dans différents types d’environnement, qui peut causer une maladie rare, mais grave, la listériose. Les caractéristiques de cette bactérie, sa pathogénie et sa capacité à survivre dans des conditions difficiles, font d’elle une bactérie qui suscite des inquiétudes particulièrement dans les industries agroalimentaires. Par son caractère ubiquitaire, elle se retrouve aussi dans ce type d’environnement et, par conséquent, peut contaminer les aliments. La persistance de L. monocytogenes dans l’environnement des industries agroalimentaires est un phénomène établi, mais les mécanismes qui y conduisent font encore aujourd’hui débat. Par ailleurs, alors qu’une réglementation stricte a été mise en place dans les industries de transformation de produits prêt-à-manger en rapport avec les risques de contamination par L. monocytogenes, il n’y a, à ce jour que peu d’information disponible au Québec sur la présence de cette bactérie en amont de cette production, soit au niveau de la viande crue. Les objectifs de ce projet de thèse visent, d’une part, à étudier la distribution, la diversité et la persistance des souches de L. monocytogenes dans l’environnement de quatre abattoirs de porcs au Québec; de vérifier la présence de génotypes identifiés comme persistants dans les aliments et les cas de listériose humaine et d’établir les mécanismes de persistance de la bactérie dans l’environnement de ces industries. Les résultats de ce projet de thèse ont montré qu’après les opérations de nettoyage et de désinfection, la composition de la contamination par L. monocytogenes selon les abattoirs et les secteurs était significativement différente. Ainsi, deux abattoirs ont montré une contamination plus élevée comparativement à un autre abattoir. Une importante diversité de souches de L. monocytogenes est présente dans l’environnement des abattoirs et des usines de découpe de viande. Cette diversité était généralement similaire entre les abattoirs sauf pour un seul abattoir qui a montré une diversité significativement plus élevée. La diversité des souches n’était pas variable en fonction de l’étape du processus d’abattage, soulignant la tolérance de ces souches aux stress spécifiques des différents environnements de ces industries. Cette étude a montré que la présence de souches persistantes de L. monocytogenes était plus importante au niveau des étapes post-éviscération de l’abattage, et particulièrement en découpe. Dans ces conditions, le risque de contamination des produits est très présent. La comparaison des caractéristiques génotypiques des souches persistantes avec celles des souches isolées des aliments transformés et des cas de listériose humaine a montré un lien significatif entre ces souches. La relation entre la fréquence importante de détections de souches présentant ces profils au Québec, mais aussi au Canada et leur persistance dans les nombreux environnements agroalimentaires autres que celui des abattoirs et des salles de découpe des viandes reste à être documentée pour une meilleure compréhension de l’origine des listérioses humaines. L’étude des différents mécanismes de persistance des souches de L. monocytogenes réalisée au cours de cette thèse a montré que la présence de gènes de résistance aux ammoniums quaternaires (QACs) dans certaines souches est particulièrement associée au caractère de persistance, alors qu’aucune différence dans la capacité à former du biofilm n’a été mise en évidence entre les souches persistantes et celles non persistantes. L’absence de caractère génétique évident et spécifique à la capacité de former le biofilm rend difficile l’association de ce dernier à la persistance des souches de L. monocytogenes. Néanmoins, le biofilm reste un phénomène pouvant expliquer en partie la persistance de L. monocytogenes. Par ailleurs l’étude de l’impact de la concentration en nutriments sur le biofilm de L. monocytogenes a montré qu’en conditions de limitation en nutriments, la structure du biofilm de L. monocytogenes était en forme de nid d’abeille attribuée à la présence d’une plus grande quantité d’ADN extracellulaire. Cette structure confère une meilleure stabilité au biofilm ce qui explique une plus forte biomasse. Nous avons également démontré ici une association du genre Listeria avec d’autres genres bactériens de l’écosystème microbien résiduel de la surface de l’environnement de découpe des viandes. Ainsi, la co-occurrence de Listeria spp. avec Pseudomonas spp. laisse croire à la présence d’une interaction entre les espèces de ces genres. D’autre part, la présence de plusieurs genres dont Sphingomonas, Paracoccus et Caulobacter est négativement corrélée avec celle de Listeria spp. Ceci ouvre la voie à des études portant sur les interactions spécifiques entre ces genres bactériens et Listeria, et particulièrement l’espèce monocytogenes. L’ensemble de ces études éclaire le phénomène de persistance chez L. monocytogenes : il ne s’agit pas d’un mécanisme unique pour toutes les souches présentant ce caractère mais plutôt le résultat d’une sélection basée sur la résistance aux antimicrobiens, la capacité à former du biofilm en interaction avec d’autres espèces bactériennes, le premier pouvant être nécessaire et suffisant. Cette sélection peut être favorisée également par l’existence d’une niche écologique favorable telle que des endroits difficiles d’accès au nettoyage et à la désinfection. L’importance de considérer les risques de contamination de L. monocytogenes en amont de la production des produits prêts à manger à base de viande a été démontrée dans ce travail, dans la mesure où, à partir d’une grande diversité de souches présentes dans ce secteur, émerge une population présentant des profils génotypiques similaires à ceux retrouvés dans les aliments et les cas de listériose humaine. Cette étude permettra donc une reconsidération de l’importance d’une surveillance cohérente de L. monocytogenes en amont de la production de prêt à manger, afin de limiter ainsi les risques de contamination des matières premières des industries de transformation. / Listeria monocytogenes is a Gram-positive bacterium widely distributed in various types of environment and can cause listeriosis, a rare but serious disease. The characteristics of this bacterium related to its pathogenesis and its ability to survive in harsh environments make it a harmful bacterium especially in the agri-food industries. Indeed, being an ubiquitous bacterium, it is also found in this type of environment leading to food contamination. The persistence of L. monocytogenes in the environmental food processing plants is a well-known phenomenon, but the mechanisms of persistence are still debated today. In addition, while strict regulations have been established in ready-to-eat industries in relation to the risk of contamination by L. monocytogenes, there is currently no information on the presence of this bacterium in early steps of pork product production in Canada. The aims of this project were 1) to investigate the distribution, diversity and persistence of L. monocytogenes isolates across slaughtering and cutting processes in four slaughterhouses, 2) to evaluate the association between the persistence attribute of L. monocytogenes genotypes and their detection in food and human listeriosis cases and 3) to study mechanisms involved in the persistence of L. monocytogenes, including biofilm formation ability, resistance to disinfectants and interaction with other bacteria from meat conveyor surfaces. Results showed that after cleaning and disinfection operations, the composition of L.monocytogenes contamination according to slaughterhouses and sectors was significantly different. Thus, two slaughterhouses showed higher contamination compared to another slaughterhouse. Results have shown also that a significant diversity of L. monocytogenes strains was present in the environment of slaughterhouses and cutting areas. Overall, the diversity did not vary depending on slaughterhouses except for one slaughterhouse which exhibited a higher strain diversity. According to the stage of slaughter process, this diversity was not variable underlying the tolerance of these strains to the stress encountered within the different environments in these plants. This study showed that the presence of persistent strains of L. monocytogenes in the post-evisceration stages was greater, particularly in cutting areas, suggesting a possibility of repeated contamination of meat products. When comparing the genetic profiles of persistent strains with strains isolated from processed and ready-to-eat foods and human listeriosis cases, a significant association was found, suggesting a persistence in other processing environments in addition to slaughterhouses. Our studies of the different persistence mechanisms of L. monocytogenes strains have shown that Quaternary ammonium compounds (QAC) resistance genes are particularly associated with persistent strains while no difference in the ability to generate a biofilm was observed between persistent and non-persistent strains. The lack of obvious genetic attribute(s) and specificity in the various isolates biofilm formation ability makes it difficult to solely attribute to the latter to the persistence of L. monocytogenes strains. Nevertheless, biofilm remains a phenomenon that can partly explain the persistence of L. monocytogenes. Furthermore, the study of the co-occurrence of Listeria spp. with other bacterial genera of the cutting surfaces microflora showed that Listeria spp. co-occurs with Pseudomonas spp. suggesting a possible interaction between species from these two genera. In the other hand, several other genera, of which Sphingomonas, Paracoccus and Caulobacter, negatively affect Listeria, which would suggest that these bacteria inhibit or limit the growth of the genus Listeria, and potentially L. monocytogenes, by competition for colonizing this habitat or, more particularly, for nutrients. Studies of these mechanisms have demonstrated that persistence of L. monocytogenes could not be explained by a single mechanism for all strains but through a selection phenomenon based on one or several attributes such as antimicrobial resistance, biofilm formation, and capacity to interact with other bacterial species. This selection pressure can also be affected by the existence of a favorable ecological niche such as difficult areas to access to disinfect. In conclusion, the importance of contamination risks by L. monocytogenes in the pig slaughterhouses was demonstrated by the presence of a great diversity of strains at this level but, more importantly, by the finding that the likelihood to recover persistent strains may be enhanced through resistance to industrials disinfectants and, to a lesser extent, by biofilm formation. These persistent strains shared similar genetic profiles to those found in foods and human listeriosis. This study supports the importance of a consistent and comprehensive monitoring of L. monocytogenes upstream of the ready-to-eat production, as a tool for limiting the risk of contamination of the raw materials of the processing industries.

Angeborene oder erworbene Knochendefekte können infolge ihrer Häufigkeit, ihrer oft mangelhaften spontanen Regenerationsfähigkeit sowie ihrer in der Regel langen Heilungsdauer ein erhebliches medizinisches, soziales und ökonomisches Problem darstellen. Zur Lösung dieses Problems stehen standardisierte und seit langen praktizierte Möglichkeiten wie die Osteosynthese oder die Defektauffüllung mit biologischen Knochenersatzmaterialien zur Verfügung. Auch synthetische Knochenersatzmaterialien, zum Teil in Kombinationen mit regenerativmedizinischen Prinzipien, kommen immer häufiger zum Einsatz wenn aufgrund eines großen Substanzverlustes des Knochens Defekte aufgefüllt werden müssen. Ziel dieser Studie am Tiermodell Schwein war es, die Knochenheilung calvärer Knochendefekte kritischer Größe unter Einsatz zweier verschiedener synthetischer Knochenersatzmaterialien, auf ß-Tricalciumphosphat- (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, München, Deutschland) bzw. Hydroxyapatit- Basis (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Deutschland), angewandt sowohl in reiner Form als auch in Kombination mit autologen Stammzellen bzw. autologem Knochenmark, zu optimieren. Zur Untersuchung standen 16 klinisch gesunde weibliche Schweine der Deutschen Landrasse zur Verfügung. Alle Tiere waren zu Versuchsbeginn etwa 6 Monate alt und das durchschnittliche Lebendgewicht betrug zwischen 50 und 60 kg. Sowohl die β-TCP- als auch die HA-Gruppe umfasste 8 Schweine. Diese wurden wiederum in eine Kurz- und eine Langzeitgruppe zu je 4 Schweinen unterteilt, deren Beobachtungszeitraum 6 bzw. 16 Wochen betrug. Je Schwein wurden vier standardisierte Bohrlochdefekte kritischer Größe am Os frontale gesetzt. Ein Defekt wurde leer gelassen und diente als Kontrolldefekt für die physiologische Knochenheilung. Die drei anderen Defekte wurden einmal mit reinem und die anderen beiden mit biotechnologisch modifiziertem Knochenersatzmaterial aufgefüllt. Die biotechnologische Modifikation der Basissubstanzen erfolgte für einen Defekt durch die Anreicherung mit aus dem Knochenmark entnommenen und kultivierten autologen Stammzellen und für den vierten Defekt mit intraoperativ frisch punktiertem autologem Knochenmark. Die Ergebnisse der Knochenheilung wurden mit Hilfe einer computertomographischen Verlaufskontrolle intra vitam, sowie durch eine mikrotomographische und histologische Untersuchung nach der Euthanasie, untersucht. Sowohl Tier- als auch Versuchsmodell erwiesen sich als geeignet zur Untersuchung der Knochenregeneration mit Knochenersatzmaterialien. Die Knochenregeneration mit Ersatzmaterial führte in beiden Gruppen nach 6 Wochen im Vergleich mit der physiologischen Heilung zu besseren Ergebnissen, wobei sich das HA, wenn auch nicht signifikant, dem β-TCP überlegen zeigte. Die mikrotomographische Untersuchung zeigte aufgrund der höheren Detailerkennbarkeit im Vergleich zum CT einen größeren Unterschied zwischen den beiden Gruppen. So liegen die Mittelwerte im CT für die mit HA und mit dessen biotechnologischen Modifikationen gefüllten Defekte im Durchschnitt bei 11,2 ( ) und in der β-TCP-Gruppe bei 10,3 ( ) während sie für die mikrotomographische Untersuchung im Durchschnitt mit 9,4 ( ) für die mit HA und 5,7 ( ) für die mit β-TCP gefüllten Defekte bewertet wurden. Die histologische Bewertung zeigt den Unterschied zwischen beiden Gruppen bezüglich der Knochenregeneration am deutlichsten. So zeigte sich in der β-TCP-Gruppe ein sehr variabler Anteil an neugebildetem Knochengewebe, während in der HA-Gruppe immer mindestens 75% neugebildetes Knochengewebe nachgewiesen werden konnte. Der Zusatz von frischem Knochenmarkpunktat oder Stammzellen zu den Knochenersatzmaterialien hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Regeneration des Knochens. Synthetische resorbierbare Knochenersatzmaterialien, sowohl auf β-TCP- als auch auf HA-Basis, können die Knochenheilung positiv beeinflussen, und führen damit zu einer schnelleren Knochenregeneration als bei der physiologischen Knochenheilung. Im vorliegenden Modell führt die Kombination mit biotechnologischen Modifikationen wie autologen Stammzellen oder frisch punktiertem Knochenmark nicht zu einer zusätzlichen signifikanten Verbesserung der Knochenregeneration. Das pastöse nanopartikuläre Hydroxyapatit erscheint aufgrund besserer Handhabung, schnellerer Resorption sowie besserer Knochenheilung als das überlegene Material. / Inherited or acquired bone defects can, due to their frequency, their low spontaneous regenerative potential, and their generally long healing trajectories, present a significant medical, social and economical problem. Currently available solutions include standardized and well-established methods such as osteosynthesis or bone grafting using biological bone substitutes. In addition, synthetic bone substitutes, sometimes in combination with regenerative medicine, are increasingly used in cases when large bone defects require significant tissue replacement. The goal of this study was to optimize the healing of calvarial bone defects in pigs through the use of two distinct synthetic bone substitutes, -Tricalciumphosphate (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, Munich, Germany) and Hydroxyapatite (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Germany), applied either in their pure form or in combination with either autologous stem cells or autologous bone marrow. Subjects for this study were 16 clinically healthy female domestic pigs (Deutsche Landrasse). All animals were approximately 6 months of age at the beginning of the study, with live weights between 50 and 60 kg. The animals were split into two groups of 8 for the separate study of HA and β-TCP. Each of these groups was further divided into two groups of 4 pigs, for studies of short and long duration (6 and 16 weeks, respectively). Four standardized drill holes of critical size were made in the Os frontale of each pig. One hole was left untreated as a control of physiological bone healing. Among the remaining three holes, one was filled with pure bone substitute (HA or β-TCP), and the other two were filled with biotechnologically modified bone substitute. This modification of the pure substances consisted for one drill hole of enrichment with autologous stem cells, cultured from bone marrow and, for the final hole, with intraoperative freshly extracted bone marrow. The bone healing results were measured intra vitam by computed tomography (CT), and after euthanasia by microtomography and histology. Both the model animal and experimental design proved useful for this study of bone healing using bone substitutes. Bone regeneration with bone substitutes in both experimental groups was enhanced after 6 weeks when compared with the untreated physiologically healed defects, where HA was superior to β-TCP (though not significantly). Owing to a higher resolution, microtomographic analysis revealed a greater difference between the two study groups than did CT. Thus, the mean values as measured by CT for defects filled with HA and biotechnologically modified HA are 11.2, and for 10.3 for the β-TCP group, while they are 9.4 and 5.7, respectively, as measured by microtomography. The histological assessment revealed the greatest difference in bone healing between the two experimental groups. Here, the β-TCP group displayed highly variable amounts of newly formed bone tissue, whereas each subject in the HA group displayed a minimum of 75% newly formed bone tissue. The addition of freshly extracted bone marrow or stem cells to the bone substitutes had no detectable effect on bone regeneration. Synthetic resorptable bone substitutes, on a basis of both β-TCP and HA, can positively influence bone healing, and thereby lead to a faster regeneration of bone tissue than the physiological process. In the present study, biotechnological modification of bone substitutes with autologous stem cells or bone marrow did not further enhance bone regeneration. Given its easy handling, faster resorption, and better bone healing, the nanoparticulate Hydroxyapatite paste appears to be the superior material.

Improving the quality of metal castings for serial production of automotive industry, leading to improvements in the properties of casts and their lower costs. This publication analyzes the non-metallic inclusions contained in casts of heads of internal combustion engines, molded of Nemak Czech Republic, Ltd. Tackling includes analysis of size, shape, chemical composition and hardness of the specific non-metallic inclusions. The thesis describes the purity metal holding furnaces and proposals to eliminate inclusions from metal.

La maladie de l’œdème est une maladie connue depuis de nombreuses années chez le porc. Les premiers cas recensés dans une population de suidés sauvages sont apparus en 2013 en Ardèche. Un nouveau foyer de cette maladie est ensuite apparu en 2016 dans les Pyrénées-Orientales à la frontière entre la France et l’Espagne. Comprendre les facteurs permettant son apparition ainsi que sa transmission est nécessaire afin d’anticiper de futures mortalités dues à cette maladie. Dans cette thèse, une analyse épidémiologique de cette maladie chez le sanglier a été réalisée. Des clusters de mortalités sont alors apparus et ont permis de mettre en évidence une possible source de contamination unique et récurrente dans le temps. La mise en place d’une nouvelle méthode pour étudier la détectabilité des cadavres de sanglier a souligné la difficulté de retrouver des cadavres de sanglier en forêt. La dernière analyse épidémiologique à partir d’un modèle de type « Spatial point pattern » a mis en avant de possibles facteurs de risque d’apparition et de transmission qui ont ensuite été analysés plus précisément. L’analyse des données issus des tableaux de chasse en Ardèche a été réalisée afin de détecter des variations de la densité et du ratio J/A des populations de sanglier suggérant un stress alimentaire chez le sanglier, un prodrome ou une conséquence de la maladie. Aucun stress alimentaire ne fut détecté lors de cette analyse. Des hypothèses ont pu être émises pour expliquer certaines variations observées : i) la conséquence directe de la maladie, ii) un phénomène environnemental particulier et iii) un évènement pathogénique. La piste de l’événement pathogénique a été approfondie avec la découverte du SDRP (syndrome dysgénésique et respiratoire du porc). Les interactions porcs-sangliers, nombreuses en Ardèche, ont été déterminées comme potentiellement responsables du passage de la bactérie entre le compartiment domestique et sauvage. Une étude génétique a également été effectuée pour investiguer le gène alpha-1-fucosyltransferase associé à la sensibilité du porc à la maladie. Tous les sangliers analysés étaient sensibles à la maladie. D’autres analyses complémentaires sont nécessaires afin de comprendre au mieux cette maladie ainsi que les différents facteurs de risque pour l’apparition mais également la transmission. / Edema disease has been a known disease in pigs for many years. The first cases recorded in a population of wild suids appeared in 2013 in Ardèche. A new outbreak of this disease then emerged in 2016 in the Pyrénées-Orientales on the border between France and Spain. Understanding the factors that enable its onset and transmission is necessary to anticipate future mortality from this disease. In this thesis, an epidemiological analysis of this disease in wild boar was carried out. Clusters of mortalities then emerged, highlighting a possible single and recurrent source of contamination over time. The introduction of a new method to study the detectability of wild boar corpses highlighted the difficulty of finding wild boar corpses in the forest. The latest epidemiological analysis using a Spatial point pattern model highlighted possible risk factors for onset and transmission, which were then analysed more precisely. Analysis of data from hunting tables in the Ardèche was carried out in order to detect variations in the density and J/A ratio of wild boar populations suggesting food stress in the wild boar, a prodrome or consequence of the disease. No dietary stress was detected during this analysis. Assumptions could be made to explain some observed variations: i) the direct consequence of the disease, ii) a particular environmental phenomenon and iii) a pathogenic event. The trail of the pathogenic event was deepened with the discovery of the PRRS (Pork Respiratory and Dygesic Syndrome). The pig-boar interactions, numerous in the Ardeche, were determined as potentially responsible for the passage of the bacteria between the domestic and wild compartment. A genetic study was also conducted to investigate the alpha-1-fucosyltransferase gene associated with the susceptibility of pigs to the disease. All the wild boars tested were susceptible to the disease.Further further analysis is needed in order to better understand this disease as well as the different risk factors for both onset and transmission.