The overall aim of this thesis was to combine optical methods into a system with the ability to simultaneously measure blood flow changes at different tissue depths. The goal of such a system was to reveal vascular mechanisms relevant to pressure ulcer etiology under clinically relevant conditions and in relation to the evaluation of pressure-redistribution support surfaces. This thesis consists of four quantitative, cross-sectional studies measuring blood flow responses before, during, and after pressure exposure of the sacral tissue. Two optical methods – photoplethysmography and laser Doppler flowmetry – were combined in a newly developed system that has the ability to discriminate blood flows at different tissue depths. Studies I and II explored blood flow responses at different depths in 17 individuals. In Study I the blood flow was related to tissue thickness and tissue compression during pressure exposure of ≥ 220 mmHg. In Study II, the sacral tissue was loaded with 37.5 mmHg and 50.0 mmHg, and the variation in blood flow was measured. Studies III and IV included 42 healthy individuals < 65 years, 38 healthy individuals ≥ 65 years, and 35 patients ≥ 65 years. Study III included between-subject comparisons of blood flow and pressure between individuals in the three study groups lying in supine positions on a standard hospital mattress. Study IV added within-subject comparisons while the individual was lying on four different types of mattress. The studies explored the vascular phenomena pressure-induced vasodilation (PIV) and reactive hyperemia (RH). The most common blood flow response to tissue exposure in this thesis was PIV, although a decrease in blood flow (a lack of PIV) was observed in some individuals. The patients tended to have higher interface pressure during pressure exposure than the healthy groups but no differences in blood flow responses were seen. Our results showed that pressure levels that are normally considered to be harmless could have a significant effect on the microcirculation in different tissue structures. Differences in individual blood flow responses in terms of PIV and RH were seen, and a larger proportion of individuals lacked these responses in the deeper tissue structures compared to more superficial tissue structures. This thesis identified PIV and RH that are important vascular mechanisms for pressure ulcer development and revealed for the first time that PIV and RH are present at different depths under clinically relevant conditions. The thesis also identified a population of individuals not previously identified who lack both PIV and RH and seem to be particularly vulnerable to pressure exposure. Further, this thesis has added a new perspective to the microcirculation in pressure ulcer etiology in terms of blood flow regulation and endothelial function that are anchored in clinically relevant studies. Finally, the evaluation of pressureredistribution support surfaces in terms of mean blood flow during and after tissue exposure was shown to be unfeasible, but the assessment of PIV and RH could provide a new possibility for measuring individual physiological responses that are known to be related to pressure ulcer development.

Au sein du laboratoire, deux mécanismes neurovasculaires indispensables à l’intégrité fonctionnelle de la peau sont étudiés. La PIV (Pressure-Induced vasodilation) est un mécanisme protecteur qui permet de retarder l'ischémie tissulaire. Des études antérieures ont suggéré l’implication du système nerveux central dans ce mécanisme. La première partie de ma thèse était de préciser le contrôle spinal dans la PIV et de regarder si la perte de ce mécanisme protecteur augmente le risque d’escarres. Nous avons montré l’implication de la voie sensorielle spinale dans la PIV ainsi que la corrélation directe entre la perte de ce mécanisme et l’augmentation du risque d’escarres chez des animaux sains. La CIV (current-induced vasodilation) a été décrite comme étant un mécanisme neurovasculaire de type « réflexe d'axone ». Exclusivement étudiée chez l’homme, les mécanismes impliqués restent limités. La seconde partie de ma thèse était de développer un modèle animal et approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents de la CIV cathodale. Après avoir développé un modèle animal, nous avons prouvé l’implication de la voie COX1/PGIS/PGI2/IP, des TRPV1 et des ASIC cutanés présents sur les fibres capsaïcino-sensibles ainsi que celles des récepteurs aux CGRP et à la substance P dans la CIV cathodale chez le rat sain. Pour conclure, la PIV est un outil diagnostique intéressant pour évaluer les capacités protectrices de la peau contre les lésions ischémiques de pression en conditions physiologiques. La CIV reflète de la libération endogène de PGI2 dans la peau, offrant un outil complémentaire à la réponse à l’acétylcholine afin d’évaluer les capacités globales de l’endothélium / In our lab, two neurovascular mechanisms required for functional integrity of the skin are studied. The pressure-Induced vasodilation (PIV) is a protective mechanism, which delays the occurrence of tissue ischemia likely protecting the skin against pressure. Previous studies suggested the contribution of the central nervous system in this mechanism. In the first part of my PhD, we studied the spinal sensory transduction involvement in PIV and verify whether the lack of PIV increased incidence of pressure-induced ischemic lesions in healthy rats. We showed that spinal sensory disruption led to the loss of cutaneous PIV directly associated with increased incidence and severity of cutaneous lesions in response to prolonged ischemic compression in healthy animals. The current-induced vasodilation (CIV) is a neurovascular mechanism decribed as axon reflex mechanism. Exclusively studied in humans, the understanding of involved mechanisms remains limited. In the second part of my PhD, we aimed to develop an animal model and precise the underlying mechanisms involved in cathodal CIV. That we developed, we proved the involvement of the COX1/PGIS/PGI2/IP pathway, the cutaneous TRPV1 and ASIC channels present on capsaicin-sensitive fibres and the cutaneous CGRP and NK1 receptors in cathodal CIV in healthy rats. To conclude, PIV is an interesting tool to evaluate the protective capacities of the skin to withstand pressure in healthy conditions. CIV by reflecting the endogenous release of PGI2 in healthy skin offers a novel tool in complement to acetylcholine response in order to assess global capacities of the endothelium

L'obésité et le diabète sont associés à des complications cutanées, en particulier des fonctions dermiques impliquées dans le maintien de la résistance mécanique de la peau. Cependant, les mécanismes par lesquels l'obésité provoque la fragilité du tissu cutané sont peu étudiés. Notre travail consistait à évaluer les effets d'un régime hypercalorique sur la microcirculation cutanée et les conséquences sur le développement de lésions cutanées. Les études ont été réalisées chez des souris C57Bl6/J développant une obésité induite par une alimentation enrichie en graisse et en sucre pendant 2, 4, 12 et 20 semaines. Les propriétés de la microcirculation cutanée sont évaluées par les variations du flux sanguin en réponse : 1) à l'acétylcholine afin de déterminer la vasodilatation endothélium-dépendante, 2) au nitroprussiate de sodium afin de déterminer la vasodilatation endothélium-indépendante, 3) à l'application de la pression locale afin de déterminer la vasodilatation induite par la pression (PIV). Ces études sont complétées par des explorations métaboliques (IPGTT, IPITT), morphologiques, immuno-histologiques et biochimiques pour caractériser les quatre modèles. Enfin, chaque modèle a été testé pour l'incidence d'ulcère de pression par l'application d'une pression unique de 85 mmHg. Dans ce travail de thèse, nous avons mis en évidence de nombreux mécanismes de compensation accompagnant l'évolution de l'obésité et qui permettent de maintenir les fonctions vasculaires intactes et permettent de s'adapter à l'environnement inflammatoire induit par l'alimentation hypercalorique. La PIV est un outil de diagnostic nous permettant d'évaluer l'intégrité de la fonction neurovasculaire et prédire l'incidence de lésions cutanées / Obesity and diabetes are associated to skin pathophysiology, particularly the dermal functions involved in maintaining the skin’s mechanical strength. The underlying mechanisms in pressure ulcer during obesity remain unclear. In this study we evaluated the effects of a hypercaloric diet on the cutaneous microcirculation and its consequences on pressure sores. C59Bl6/J mice were fed a high fat and high sugar diet during 2, 4, 12 and 20 weeks. Microvascular properties were assessed by measuring the skin blood flow variations in response to 1) acetylcholine in order to determine the endothelium-dependent vasodilation, 2) sodium nitroprusside in order to determine the endothelium-independent vasodilation, 3) local pressure application in order to determine the pressure-induced vasodilation (PIV). Each model was characterized for metabolic assessment (IPGTT, IPITT), hisological, immune-histological and biochemical measurements. Finally, each model was tested for pressure ulcer incidence with a 85 mmHg pressure application on skin layers. In this study, we found that obesity is a pathology in constant evolution that is associated with many compensatory mechanisms for maintaining vascular functions and for the adaptation of the skin tissue to an inflammatory environment induced by a hypercaloric diet. PIV has become a useful tool for pressure ulcer prediction

Le vieillissement diminue les propriétés mécaniques protectrices de la peau qui prédispose le sujet âgé aux ulcères de pression, les escarres. Ce travail a pour objectif de (1) tester les capacités de défense de la peau face aux contraintes mécaniques au cours du vieillissement, (2) identifier les facteurs responsables de la dégénérescence des capacités de protection de la peau avec l'âge et (3) évaluer les effets d'un traitement chronique anti-oxydant. Les capacités de résistance de la peau aux pressions ainsi que l'incidence d'escarres suite à une ischémie prolongée ont été étudiées chez des rats jeunes (6 mois), matures (12 mois) et âgés (24 mois) de deux souches : Brown Norway (longévité accrue), et Wistar. Des études complémentaires ont permis d'identifier les facteurs responsables de cette dégénérescence, en particulier le versant vasculaire, l'atteinte nerveuse sensorielle et les modifications de la structure et des propriétés visco-élastiques de la peau. L'efficacité du traitement anti-oxydant sur les capacités mécaniques protectrices de la peau a été estimée. Les résultats montrent une altération des propriétés mécaniques protectrices de la peau avec l'âge, plus ou moins précoce selon la souche de rats, associée à une atteinte fonctionnelle vasculaire (chez les rats Wistar), l'installation progressive d'une neuropathie périphérique sensorielle et d'un défaut visco-élastique cutané dans les deux souches de rats. Ces atteintes ne reflètent pas systématiquement la fragilité de la peau âgée face aux escarres, modulée par l'état du tissu adipeux. Le traitement antioxydant permet de réduire plusieurs atteintes mais a induit des effets contradictoires entre les deux souches de rats étudiées vis-à-vis de l'incidence d'escarres / The aging decreases the protective properties of the skin, which predisposes the aging subject to pressure ulcers. This thesis had for objective (1) to test the defence capacities of the skin to resist mechanical stress during aging, (2) identify the factors responsible for the degeneration of the protection capacity of the aging skin and (3) evaluate the effects of a chronic antioxidant treatment. To meet this three objectives, the cutaneous responses to pressures of different intensities together with the pressure ulcer incidence following a prolonged ischemia were studied on 3 different ages of rats: young (6 months), mature (12 months) and aged (24 months). Those 3 stages of aging were studied on 2 different rat strains: “Brown Normay”, healthy aging model with an accrued longevity and “Wistar”, control rats. Complementary studies allowed identifying the mechanism who leads to a diminution of the protective capacities of the skin. In particular, the vascular dysfunctions (endothelial and smooth muscular cells), the sensory nervous dysfunctions, the modifications of the skin structure and the viscoelastic properties were evaluated. The efficiency of the anti-oxidant treatment was estimated focusing principally on the effects on the nervous and vascular capacities, the structure of the skin and the impact of the pressure ulcer. The results show that the aging induces a more or less early alteration of the protective properties of the skin in response to pressures, more or less precocious depending on the strain of the rat. The decrease of the natural defences is associated to a vascular dysfunction (endothelium with the Wistar rats), the progressive installation of a sensory peripheral neuropathy and a deterioration of cutaneous viscoelastic properties with the two strains of rats. These deteriorations do not reflect systematically the fragility of the aged skin towards pressure ulcers, modulated by the state of the subcutaneous adipose tissue. The chronic anti-oxidant treatment allows to reduce several dysfunctions but has induced contradictory effects between the two studied strains of rats towards the incidence of pressure ulcers

La compression nerveuse chronique (CNC) est un modèle d’étude expérimental définit pour l’examen du syndrome du canal carpien. Notre travail consistait à étudier chez le rat sain, l’effet d’une CNC de courte ou de longue durée sur la microcirculation cutanée, ainsi que la capacité de récupération fonctionnelle du nerf suite à une décompression, et les mécanismes moléculaires impliqués dans la régénération nerveuse. L’originalité de l’équipe de recherche est d’avoir montré un mécanisme physiologique original permettant d’étudier l’interaction neurovasculaire cutanée qui peut être observée sur le nerf. La PIV (Pressure‐Induced Vasodilation) est un outil original de commande de la vasomotricité par les fibres C. Les dysfonctions neurovasculaires cutanées et nerveuses induites par une CNC de courte durée sont associés à l’altération des fibres C et, à des mécanismes angiogéniques et inflammatoires du nerf lésé. Ces atteintes sont réversibles après une décompression nerveuse, malgré une modification de la balance des facteurs angiogéniques, une augmentation de l’expression de facteurs inflammatoires et l’activité de protéines à profil apoptotique. La CNC de longue durée provoque des traumatismes plus importants auxquels s’ajoutent des atteintes vasculaires. Par conséquent la décompression du nerf sciatique n’a pas permis de rétablir les fonctions nerveuses périphériques. La PIV fournit un diagnostic précoce de l’atteinte nerveuse suivant sa réduction, synonyme d’une CNC de courte durée, ou de son abolition, synonyme d’une CNC longue durée. Ces niveaux d’atteintes nerveuses et inflammatoires pourraient être responsables ou non de la récupération fonctionnelle nerveuse / Chronic nerve compression (CNC) is an experimental study model for the examination of the carpal tunnel syndrome. Our work aimed to study the effect of short or long‐term CNC on the cutaneous blood flow, on the nerve ability to recover following to nerve release, and the molecular mechanisms involved in the nervous regeneration. For that purpose, our laboratory established an original physiological mechanism in the study of the relationship between vessel and nerve in the sciatic nerve but also at the periphery, in the cutaneous tissue. Therefore, PIV (Pressure‐Induced Vasodilation) is an original tool of vasomotion linked to C‐fibers. Cutaneous and nervous neurovascular dysfunctions induced by a shortterm CNC were associated to cutaneous C‐fibers impairment and, angiogenic and inflammatory mechanisms of the injured nerve. These achievements are reversible after nerve release, even though the nerve showed a modification of the balance of angiogenic factors, an increase of the expression of inflammatory factors and the activity of proteins with apoptotic type. The long‐term CNC induced more important trauma that further affected the vascular function. Consequently the decompression of the sciatic nerve did not allow restoring the peripheral nervous function. PIV allows to early diagnosing nerve damage with a reduction referring to a short‐term CNC or an abolition referring to a long‐term CNC. Activation of the inflammatory pathway during CNC could compromise nerve recovery following nerve decompression

L’obésité et le diabète sont associés à des complications, notamment une fragilité cutanée. Celle-ci pourrait être associée à une altération du métabolisme du glucose et à une augmentation du tissu adipeux sous-cutané. Il a été montré que l’hypoderme pourrait avoir une fonction spécifique pour la peau. Notre travail a consisté d’une part à caractériser l’adiposité hypodermique et à étudier son influence dans la réactivité du tissu cutané en réponse à des pressions faibles ou fortes chez des souris obèses et d’autre part à étudier le processus de cicatrisation. Les fortes pressions augmentent la fragilité cutanée ce qui peut aboutir à des lésions, notamment des ulcères de pression. Les études ont été réalisées chez des souris C57BL/6J développant une obésité induite par une alimentation riche en lipides et en sucres pendant 4 et 12 semaines. La taille des adipocytes de l’hypoderme a été mesurée ainsi que leur réponse lipolytique en présence ou non d’insuline. La réactivité tissulaire a été évaluée en mesurant les variations du flux sanguin en réponse : 1) à l’application d’une pression locale faible afin de déterminer la vasodilatation induite par la pression (PIV), 2) par iontophorèse d’acétylcholine ou de nitroprussiate de sodium. Afin d’explorer le processus spécifique d’ulcère de pression chez les souris obèses diabétiques, une compression par cycles d’ischémie-reperfusion a été réalisée. Ces études ont été complétées par des explorations métaboliques, histologiques et biochimiques. Par ailleurs nous avons déterminé l’impact de l’augmentation de l’adiposité sur des fibroblastes dermiques in vitro afin de mieux comprendre le processus de cicatrisation.Dans ce travail de thèse, nous avons mis en évidence une augmentation de l’adiposité hypodermique associée à une insulinorésistance tissulaire et systémique. Nous avons également montré un retard de cicatrisation en fonction de l’évolution de l’obésité et des réponses micro vasculaires diminuées post cicatrisation par rapport à une peau non lésée / Obesity and diabetes led to complications, including skin fragility. Skin fragility could be associated to a glucose metabolism alteration and a subcutaneous adipose tissue increase. It has been shown that hypodermis could have a specific function for the skin. Our work consisted on the one hand in characterizing the dermal adiposity and studying its involvement in the skin tissue reactivity in response to low or high pressures in obese mice and, on the other hand, in studying the healing process. High pressures increase cutaneous fragility which can lead to skin wounds, in particular pressure ulcers. This study was realized using C57BL/6J male mice with a diet-induced obesity. C57BL/6J mice were fed a high fat and high sugar diet during 4 or 12 weeks. Hypodermis adipocytes size was measured as well as their lipolytic response in presence or absence of insulin. The skin tissue reactivity was assessed measuring the skin blood flow variations in response to 1) a local pressure application in order to determine the pressure-induced vasodilation (PIV), 2) an acetylcholine or sodium nitroprusside iontophoresis. To examine the specific mechanism of the pressure ulcer in obese diabetic mice, a compression with ischemia-reperfusion cycles was realized. Metabolic assessment, histological and molecular biological studies were carried out to characterize each stage of healing through obesity. Furthermore, we determined the adiposity increase on dermal fibroblasts in vitro to better understand the healing process. In this thesis work, we have highlighted a hypodermis adiposity linked to a tissue and a systemic insulin resistance. We have also showed a delayed healing depending on the evolution of the obesity. The microvascular responses were decreased post healing compared to a non-wounded skin