Contexte: En raison de l'utilisation répandue des valvules cardiaques aortiques prothétiques, il est extrêmement important d'en étudier la biofonctionnalité, la biodurabilité et la biocompatibilité. Les valves mécaniques ont une excellente durabilité. Cependant, en raison des traitements anticoagulants, il existe des risques de thromboembolique et hémorragique. Les valves polymériques ont une faible résistance à la calcification et à la thrombose. À cet égard, les valves biologiques sont préférables. Plus récemment, les chirurgiens et les cardiologues ont développe à l'implantation de valves aortiques percutanées, plutôt qu’à la chirurgie ouverte pour traiter les patients âgés et fragiles. Cependant, la durabilité des bioprothèses soulève toujours des questions reliées au sertissage et l’expansion lors de l'implantation. Comme la performance des bioprothèses dépend de l'architecture et du comportement mécanique du tissu sélectionné, il est nécessaire de sélectionner le tissu le plus approprié pour fabriquer ces prothèses. Objectifs: Il s’agit d’identifier le tissu le plus approprié avec la plus longue durabilité pour fabriquer des valvules cardiaques en comparant les propriétés mécaniques et histologiques des péricardes équin, porcin et d’âne par rapport à celles du péricarde bovin et des feuillets de la valve aortique humaine. Hypothèse: La durabilité des valves cardiaques bioprothétiques est largement déterminée par les caractéristiques histologiques et mécaniques des tissus des feuillets. Par conséquent, la sélection du péricarde selon sa structure histologique et ses propriétés mécaniques permettra d’augmenter la durée de vie de ces prothèses. Méthodologie: 1. Étude des structures de collagène des tissus sélectionnés. 2. Étude des propriétés mécaniques des tissus et évaluation de leur durabilité avec différents tests mécaniques. 3. Extraction des propriétés hyperélastiques et viscoélastiques biaxiales à l'aide des modèles appropriés. 4. Application du modèles d'éléments finis est appliqué en utilisant les propriétés mécaniques extraites pour évaluer la déhiscence possible de la valve et le stress sous la charge physiologique. Résultats: Le péricarde d’âne et le péricarde équin ont démontré une architecture ondulée de faisceaux de collagène semblable à celle du péricarde bovin. L’architecture ondulée du péricarde peut convenir aux valves aortiques transcutanées car elles sont moins susceptibles d'être délaminées lors du sertissage. Selon des tests mécaniques, les pourcentages de relaxation des différents péricardes équin (16%), âne (28%) et bovin (21%) étaient supérieurs à ceux du péricarde porcin (11%) et similaires aux feuillets valvulaires aortiques humains natifs (21%). En particulier, le péricarde porcin a démontré un comportement plus rigide (module d'élasticité plus élevé), basé sur sa plus grande amplitude d'énergie de déformation et la pente moyenne des courbes contrainte-étirement. Ce tissu était également moins extensible que les deux autres péricardes et les feuillets humains, en raison de sa souche aréale inférieure. En général, les propriétés mécaniques du péricarde d’âne sont plus proches des feuillets valvulaires humains. De plus, le modèle âne n'a induit que des régions localisées à faible stress pendant les phases systolique et diastolique du cycle cardiaque. En outre, une diminution des contraintes mécaniques sur les feuillets bioprothétiques devrait contribuer à réduire la dégénérescence des tissus et augmenter la durabilité à long terme de la valve. Conclusion: D'après nos observations, les spécimens péricardiques se sont comportés comme des tissus anisotropes et non linéaires - bien caractérisés par des modèles constitutifs. Les résultats indiquent que le péricarde d'âne est mécaniquement et histologiquement plus approprié pour la fabrication de prothèses valvulaires cardiaques que le péricarde bovin. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés dans la conception et la fabrication de valvules cardiaques bioprothétiques percutanéei. / Background: Due to the widespread use of prosthetic aortic heart valves, investigating these prostheses in terms of biofunctionality, biodurability and biocompatibility is of considerable importance. Mechanical heart valves (MHVs) have excellent durability; however, due to the long-term use of anticoagulants, thromboembolism and hemorrhage remain a possibility. Polymeric valves have a low resistance to calcification and thromboembolism. In this respect, biological valves are preferred. In recent years, surgeons and cardiologists have also used transcatheter aortic valve implantation (TAVI) due to its superiority over the open-heart surgery to treat elderly and frail patients. However, the long-term durability of the commercially available bioprosthesesstill raises questions related to crimping and ballooning at the implantation. The function and performance of the bioprostheses depend on the collagen architecture and mechanical behaviors of the pericardial tissue. Therefore, it is necessary to select the most appropriate pericardia to manufacture these prostheses. Objectives: To identify the most appropriate tissue with a long durability to make bioprosthetic heart valves by analyzing the mechanical and histological properties of the equine, porcine, and donkey pericardia, with respect to those of the bovine pericardium and human aortic valve leaflets. Hypothesis: The long term durability of bioprosthetic heart valves is largely determined by the leaflet tissues. Consequently, selecting the pericardium based on its adequate mechanical property and histological structure will increase the lifetime of these prostheses. Methodologies: 1. Histological analysis was performed to investigate the collagen structures of the selected tissues. 2. Different mechanical tests (uniaxial tests, biaxial tests, and stress relaxation tests) were performed to determine the mechanical properties of the tissues and to evaluate their durability. 3. The biaxial hyperelastic and viscoelastic properties of the selected tissues were extracted using the appropriate models. 4. The finite element model was applied using the extracted mechanical properties to evaluate valve dehiscence and stress under physiological loadings. Results: The donkey and equine pericardia showed a wavy collagen bundle architecture similar to the bovine pericardium. The wavy pericardia may be suitable for the transcatheter aortic valves (TAVs) because they are less likely to be delaminated during crimping. According to the mechanical tests, the relaxation percentages of the equine (16%), donkey (28%), and bovine (21%) pericardia were greater than that of the porcine (11%) pericardium and similar to that of the native human aortic valve leaflets (21%). In particular, the porcine pericardium exhibited a stiffer behavior (higher elastic modulus), based on its greater strain energy magnitude and the average slope of stress-stretch curves. This tissue was also less distensible than the other two pericardia and the native leaflets, due to its lower areal strain. In general, among the pericardia analyzed, the mechanical properties of the donkey pericardium are closer to that of the native leaflets. Furthermore, the donkey model showed low stress regions during the systolic and diastolic phases of the cardiac cycle. Such decreased mechanical stress in the bioprosthetic leaflets should reduce tissue degeneration and increase the long-term durability of the valve. Conclusion: Based on the observations, the pericardial specimens behaved as anisotropic and nonlinear tissues, and their mechanical behaviors were very well characterized by the constitutive models. The results indicate that, compared to the bovine pericardium, the donkey pericardium is mechanically and histologically more appropriate to manufacture heart valve prostheses. Therefore, this study contributes to our understanding of the difference in animal pericardia with respect to human heart leaflets, which is very useful for the design and manufacture of the percutaneous bioprosthetic heart valves.

INTRODUCTION : Il existe une discordance entre l’aire valvulaire aortique (AVA<1.0cm²) et le gradient moyen (GM<40mmHg) lors de l’évaluation de la sévérité de la sténose aortique (SA). OBJECTIF: Définir le bénéfice de survie associé au remplacement valvulaire aortique (RVA) en fonction des marqueurs échocardiographiques de sévérité de la SA. MÉTHODES : 1710 patients avec SA ont été séparés en 4 strates de sévérité selon AVA, AVA indexée, GM ou la vélocité aortique maximale (Vmax). Nous avons comparé la survie entre les groupes traités avec ou sans RVA dans chaque strate. RÉSULTATS : Les patients avec une AVA entre 0.8 et 1cm² avaient un bénéfice de survie significatif du RVA en multivarié. Un bénéfice était observé chez les patients avec strates de GM/Vmax non sévères et AVA<1cm². CONCLUSION : Le RVA peut être bénéfique chez un nombre substantiel de patients avec une AVA7<1cm², malgré des gradients non sévères.

Les maladies valvulaires aortiques représentent la troisième affection cardiovasculaire la plus prévalente et la seconde indication la plus commune de chirurgie à coeur ouvert. Malgré des avancées médicales majeures, la seule option thérapeutique démontrée efficace pour réduire la mortalité demeure l’implantation d’une prothèse valvulaire. Deux grandes familles de prothèses existent, chacune d’elles présentant leurs propres avantages et inconvénients. Les valves mécaniques, en raison de leur structure en alliage métallique, comportent un haut risque thrombogénique et nécessitent l’instauration d’une anticoagulation permanente. Malheureusement, en plus d’être difficile à contrôler adéquatement, ce traitement pharmacologique augmente le risque de souffrir de saignements. Les prothèses mécaniques ont cependant démontré une excellente longévité, dépassant généralement les 25 ans. Les bioprothèses, quant à elles, ne nécessitent pas d’anticoagulation, mais sont connues pour dégénérer progressivement au fil des années et doivent typiquement être remplacées après 15 à 20 années. Conséquemment, les valves mécaniques demeurent préférables chez les patients présentant une longue espérance de vie, alors que les bioprothèses sont préférées chez les patients plus âgés (>65 ans). Néanmoins, aucune option parfaite n’existe et une controverse demeure quant au choix de la prothèse optimale pour les jeunes adultes (<60 ans). Dans le but d’éviter les désavantages significatifs des prothèses classiques, une troisième option chirurgicale a été proposée : la procédure de Ross. Elle consiste en un remplacement de la valve aortique dégénérée par la translocation de la valve pulmonaire native du patient en position aortique. Le chirurgien insère enfin une homogreffe en position pulmonaire pour compléter la procédure. Cette technique offre les meilleurs résultats hémodynamiques et permet d’éviter la médication anticoagulante. Cependant, elle augmente les risques de complications en nécessitant une double greffe et affecte un organe sain et fonctionnel, soit la valve pulmonaire. L’hypothèse principale à l’origine de ce projet de maîtrise était que la dégénérescence de l’autogreffe et de l’homogreffe est liée à des facteurs cliniques et les risques peuvent être prédits. Par conséquent, les objectifs principaux de cette étude étaient, dans un premier temps, d’évaluer l’intégrité des greffons valvulaires issus de la procédure de Ross lorsqu’effectuée chez une population de jeunes adultes atteints de maladies valvulaires aortiques sévères et, dans un second temps, d’identifier les déterminants et prédicteurs de mauvaise évolution postopératoire de l’autogreffe et de l’homogreffe pulmonaire. / Aortic valve diseases represent the third most prevalent cardiovascular disease and the second most common indication for open-heart surgery. Despite major breakthroughs in modern medicine and technologies, the only therapeutic option proved efficient in reducing mortality and morbidity remains the implantation of a valvular prosthesis. There are two major classes of prostheses, each presenting their own advantages and disadvantages. Mechanical valves, due to their alloy-based structure, hold a high thrombogenic risk profile and thus patients require a lifetime anticoagulating therapy. Unfortunately, beyond being a well-known clinical challenge to adequately control, this treatment significantly increases the risks of suffering from major bleeding events. However, mechanical valves have shown prolonged lifeexpectancy generally exceeding 25 years. As for bioprostheses, they do not require any anticoagulation but are widely known to degenerate progressively throughout the years and must typically be replaced after 15 to 20 years. Consequently, mechanical valves are currently preferred in patients with long estimated life-expectancy and bioprostheses are preferes in older patients (>65 years). Nonetheless, there are no perfect option and a strong controversy remains regarding the optimal prosthesis in young adults patients (<60 years). In order to overcome the significant drawbacks of the traditional prostheses, a third surgical option was proposed: the Ross procedure. It consists in replacing the degenerated aortic valve by translocating the native pulmonary valve in aortic position. The surgeon then uses a homograft in pulmonary position to complete the procedure. This technique offers the best hemodynamic profiles of all prostheses and allows a bypass of the anticoagulation therapy. On the downside, though, it increases complications risks and surgically affects a fully healthy and functional organ being the pulmonary valve. The main hypothesis at the root of this Master degree project was that the deterioration of autografts and homografts are linked to clinical factors and the risks can therefore be predicted. Therefore, the main objectives of this study were, first of all, to evaluate the integrity of Ross procedure grafts when performed in a young adult population suffering from severe aortic valve diseases and, secondly, to identify determinants and predictors of poor post-operative evolution of both the pulmonay autograft and homograft.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Haute Alsace, Mulhouse, France / Le remplacement de la valve aortique par chirurgie non invasive TAVR est devenu une alternative au remplacement à cœur ouvert chez des patients à haut risque chirurgical. En 2018, plus de 300 000 patients à travers le monde ont reçu une valve aortique par voie transcathéter ce qui représente un marché mondial d'une valeur de 2 milliards de dollars par an. Cependant la durée de vie du tissu biologique utilisé pour réaliser les feuillets valvulaires dans les dispositifs existants reste une problématique à résoudre, car il existe très peu de données cliniques sur le sujet. En effet, l’implantation transcathéter impose des contraintes spécifiques, qui tendent à dégrader et fragiliser le matériau dont la durée de vie devient limitée. Le succès de la procédure TAVR favorise la recherche des matériaux synthétiques de remplacement valvulaires comme alternatives aux tissus biologiques, dont la durabilité reste inconnue. En particulier, la valve textile a récemment prouvé sa durabilité sur une étude In Vivo de 6 mois effectuée sur des moutons. La fibrose et la calcification restent cependant des facteurs critiques à contourner. Dans ce contexte, cette thèse s’inscrit dans la perspective de développer des stratégies pour améliorer labio compatibilité de la valve de substitution textile en polyéthylène téréphtalate PET. Dans le cadre de ce projet, deux stratégies ont été investiguées parallèlement pour limiter les problématiques de biocompatibilité de la valve textile. Premièrement, une fonctionnalisation de la valve textile au Polyéthylène glycol a été effectué pour augmenter son caractère hydrophile ce qui limiterait la fibrose. La valve est traitée en surface au plasma pour ne pas compromettre la flexibilité et les propriétés mécaniques du matériau textile. Une caractérisation du traitement ainsi que des études in vitro complétées par deux implantations in vivo ont été réalisées. Deuxièmement, un concept innovant de la valve hybride a été étudié. Ce concept consiste à élaborer un textile hybride composé d’un tissé de polytéréphtalathe d’éthylène (PET) auquel sera adjoint un textile non tissé de microfibres de PET afin de limiter la fibrose. Les caractéristiques physiques et les performances mécaniques de cette valve hybride ont été étudiées. Cette stratégie a été complétée par l’étude des intéractions du substrat de textile hybride avec les cellules. Des textiles hybrides de différents types ont été considérés pour démontrer l’influence de leurs propriétés physico-chimiques sur le comportement cellulaire. Cette étude vient confirmer le potentiel du concept de la valve hybride pour limiter le phénomène de fibrose Dans l’ensemble, ce projet de recherche a mis en évidence que ces deux stratégies ont bel et bien limité la fibrose mais ils ont révélé une problématique de calcification qui est critique dans la mesure où elle provoque la rigidification des feuillets de la valve. Plusieurs stratégies seront discutées pour limiter ce phénomène. / Over the last decade, transcatheter aortic valve replacement (TAVR) has become an accepted alternative technique to surgical valve replacement for over 300.000 patients worldwide in 2018, representing a global market worth-2 billion per year. This non-invasive technique provides increased comfort to the patient but is today mainly used for critical patients who cannot undergo classic surgery. Currently, the valve material used in the TAVR procedure is made of biologic tissues. However, there is a lack of data about the long-term durability of biological tissues used in transcatheter devices. Consequently, future devices should be manufactured with a smaller diameter in order to be more easily inserted through already diseased artery networks. Accordingly, it is of interest to investigate the potential of synthetic valve leaflet materials as an alternative to biological tissues. In particular, textile valves have recently proven durability in vivo over a 6 months period in animal sheep models. Exaggerated fibrotic tissue formation remains, however, a critical issue to be addressed. In this context, the aim of this work is to investigate strategies to improve the biocompatibility of the polyethylene terephthalate (PET) textile valve. As part of this project, two strategies were studied in order to limit the problems of biocompatibility of the textile valve. The first strategy consists on investigating the potential of PET textiles covalently conjugated with PEG to modulate the fibrosis formation both in vitro and in vivo. For this purpose, the surfaces of heart valves made of PET textiles were functionalized using an atmospheric pressure plasma in a gas environment enabling the formation of carboxylic acid (-COOH) groups on the surface of the material and further conjugated with PEGNH2. PEGylated surfaces were then characterized, and cell culture was carried out using rat cardiac fibroblast cells. In addition, an in vivo implantation of a PEG treated valve in a juvenile sheep model was performed and showed a significant fibrosis reduction. The implantation also revealed calcification issues that need to be addressed. The second strategy consists on investigating the design of a composite hybrid fibrous construction combining a woven PET layer and a non-woven PET mat, which are expected to provide respectively strength and appropriate topography towards limited fibrotic tissue ingrowth. For that purpose, a specific equipment has been developed to produce slight non-woven PET mats. These mats were assembled with woven PET substrates using various assembling techniques in order to obtain hybrid fibrous constructions. The physical and mechanical properties of the obtained materials were assessed and valve samples were manufactured to be tested in vitro for hydrodynamic performances. Then, a study of the interactions of the hybrid textile substrate with cells was conducted. Hybrid textiles of different types have been explored to demonstrate the influence of their physicochemical properties on cellular behavior. Results bring out that the composite hybrid fibrous construction is characterized by properties suitable for the valve leaflet function and for limiting the phenomenon of fibrosis, but the durability of the assembling is however limited under accelerated cyclic loading. Briefly, this research project revealed that these two strategies did indeed limit fibrosis, but that there is another problem of calcification that is critical as it stiffens the leaflets of the valve. Several strategies will be discussed to limit this phenomenon.

"Thèse en cotutelle Doctorat en médecine expérimentale, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.), et Aix-Marseille Université, Marseille, France" / L’implantation de prothèse valvulaire aortique percutanée (TAVI), a émergé comme une alternative moins invasive que la chirurgie pour les patients avec sténose sévère et haut risque chirurgical. Les résultats prometteurs tant hémodynamiques que cliniques du TAVI pourraient conduire à étendre ce traitement à une population de plus en plus large avec anatomie plus complexe ou risque chirurgical plus bas, ainsi qu’aux patients avec bioprothèses chirurgicales (BPs) dégénérées. Cette dernière application également appelée « Valve-in-Valve » (ViV), consiste à implanter une prothèse percutanée dans une BP défaillante et permet d’éviter la réintervention chirurgicale invasive associée à un risque de mortalité augmenté. Cependant, deux complications hémodynamiques majeures limitent la généralisation de ces techniques percutanées. Dans le contexte du TAVI « classique », il s’agit des fuites périvalvulaires (PVL) dont la présence est associée à une mortalité augmentée. Ces fuites pourraient être plus sévères dans des anneaux non circulaires. L’effet du surdimensionnement de la prothèse percutanée, pour assurer son étanchéité, sur l’hémodynamie est mal connu et pourrait avoir un impact négatif. De plus, les exigences en termes de performance hémodynamique et de durabilité de la prothèse percutanée doivent être plus hautes chez une population à plus bas risque chirurgical. Il est donc important de déterminer la faisabilité du TAVI et de caractériser la performance hémodynamique dans ces situations d’implantation. Dans le contexte ViV, la présence de hauts gradients (≥ 20 mmHg) post-procéduraux est fréquente et a été associée à une mortalité augmentée. Ces gradients élevés, traduisent souvent une sténose résiduelle et sont particulièrement fréquents dans les BPs sténosées de taille nominale ≤ 21 mm. Les petites BPs et le mode de dégénérescence ont également été associés à une mortalité augmentée. Ainsi, le ViV n’est pas indiqué dans la plupart des petites BPs et par conséquent, il n’existe actuellement aucune recommandation pour leur traitement. Les facteurs que sont les petites BPs et le mode de dégénérescence actuellement mis en cause ne sont pas assez spécifiques et excluent trop de patients qui pourraient bénéficier du traitement. Par ailleurs, le bénéfice hémodynamique réel du ViV par rapport aux statuts avant ViV n’a pas été étudié. Il est donc nécessaire de préciser les facteurs associés non seulement à la performance hémodynamique post-ViV mais également à l’utilité du traitement. iv L’objectif général de ce travail doctoral est de comprendre les interactions entre la prothèse percutanée et l’anneau aortique ou la BP à traiter, impliquées dans la performance hémodynamique, en particulier dans des conditions d’implantation complexes, afin d’étendre les indications du TAVI. Dans le contexte ViV, le défi est de préciser les facteurs modifiables et non modifiables associés à la performance et à l’utilité hémodynamiques du traitement, afin d’identifier les patients susceptibles d’en bénéficier et de proposer des stratégies d’implantation pour éviter la sténose résiduelle. / Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) has emerged as a less invasive alternative to surgery for patients with severe aortic stenosis and high surgical risk. The promising hemodynamic and clinical outcomes after TAVI has led to extend indications to a larger population including patients with complex anatomy or lower surgical risk, as well as patients with degenerated surgical bioprostheses (BPs). The latter application of TAVI referred to as Valve-in-Valve (ViV) consists in implanting a transcatheter prosthesis within a failing BP in order to avoid redo surgery which is associated with an increased risk of mortality. However, generalization of transcatheter procedures remains limited by 2 major concerns. Regarding "classical" TAVI, the incidence of perivalvular leaks has been associated with increased risk of mortality and may be worsened in non circular annuli. Oversizing, which is used to secure the device, might have a negative impact on the prosthesis hemodynamics but its real effect is unknown. Moreover, the treatment of a lower risk and younger population requires excellent hemodynamic performance and valve durability. It is thus necessary to determine the feasibility of TAVI and to assess the hemodynamic performance in those complex situations. Regarding ViV implantations, the Achille's heel has been residual stenosis. Indeed, elevated post-procedural gradients are common following ViV, especially in BPs with label size ≤ 21 mm, and have been associated with increased mortality. However, there is only few experience in small BPs which are currently excluded from ViV indications and for which there is no recommendation. The factors that have been identified are not specific enough and ViV might be beneficial to a large proportion of patients which are currently excluded from indications. Besides, the actual hemodynamic benefit associated with ViV has not been evaluated (vs. pre ViV status). It is thus necessary to determine precisely the factors associated with both post-ViV hemodynamic performance and which treatment utility. The general objective of this work is to understand the interactions between the transcatheter prosthesis and the aortic annulus or the BP to be treated, which impact the hemodynamic performance, especially in complex conditions of implantation, in order to extend the indications of TAVI. In the context of ViV, the objective is to specify the modifiable and non-modifiable factors associated with the hemodynamic performance and utility of the treatment. The final aim is to identify patients who will benefit from ViV and to provide strategies of implantation in order to avoid residual stenosis.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / La sténose aortique est une pathologie très fréquente. Selon les recommandations actuelles, les indications de remplacement valvulaire aortique en présence d'une sténose sévère reposent sur l'apparition de symptômes et/ou l'altération de fonction ventriculaire gauche. La mesure de la fonction ventriculaire gauche repose classiquement sur la mesure de la fraction d'éjection. Cependant, dans le contexte d'une sténose aortique, cet outil semble inadapté. Une façon indirecte d'évaluer la fonction ventriculaire pourrait être de se baser sur le degré de sévérité de la sténose. Plusieurs études ont en effet montré que la sévérité de la sténose aortique est intimement corrélée à l'altération de paramètres fins de fonction systolique du ventricule gauche mesurés par 1' étude echocardiographique de la déformation myocardique. Une altération de la fraction d'éjection est universellement reconnue comme étant associée à une augmentation de la mortalité opératoire après une chirurgie cardiaque incluant le remplacement valvulaire aortique. Par définition, la grande majorité des patients subissant un remplacement valvulaire ont une sténose sévère telle que définie par une aire de l'orifice valvulaire aortique <1.0 cm2. Cependant, il demeure une variabilité inter-individuelle importante au sein de cette plage de sévérité, i.e. de « légèrement » sévère à très sévère. De façon surprenante, l'impact de la sévérité de la sténose sur la mortalité opératoire après un remplacement valvulaire aortique est inconnu. Notre objectif principal était donc d'étudier si la sévérité de la sténose était associée, de façon indépendante, à une augmentation de la mortalité opératoire. Les recommandations américaines considèrent que les patients n'ayant ni symptômes, ni altération de leur fraction d'éjection ne devraient pas bénéficier d'un remplacement valvulaire aortique à moins qu'ils n'aient une sténose aortique très sévère (<0.6 cm2) et un risque opératoire très bas (<1%). Cette recommandation ne repose pas sur des données scientifiques spécifiques. Comme la sévérité de la sténose aortique est associée, entre autres, à des altérations de la géométrie et de la fonction ventriculaire qui pourraient obscurcir le pronostic postopératoire, nous avons essayé de quantifier la contribution indépendante de la sévérité de la sténose à la mortalité opératoire. Nous avons trouvé que la sévérité de la sténose aortique est associée à une augmentation indépendante de la mortalité opératoire. Dans les modèles prédictifs que nous avons construits, la mortalité opératoire est supérieure à 1% chez les patients ayant une sténose aortique très sévère, indépendamment de la présence de co-morbidités. Nos résultats enjoignent à une chirurgie de remplacement valvulaire plus précoce chez les patients atteints de sténose aortique afin d'éviter une augmentation de la mortalité opératoire.

280 000 prothèses valvulaires sont implantées chaque année à travers le monde pour traiter des valvulopathies. Le remplacement valvulaire a amélioré le pronostic des patients atteints de valvulopathies. La tendance ces dix dernières années est en faveur de l’implantation des prothèses biologiques ou bioprothèses par rapport aux prothèses mécaniques et actuellement, près de 80% des valves implantées sont des bioprothèses (BPs). Les BPs sont moins thrombogènes que les prothèses mécaniques et ne nécessitent généralement pas de traitement anticoagulant mais leur principal inconvénient est leur durée de vie limitée. La dégénérescence structurelle de la bioprothèse (DSB) est la cause principale de sa dysfonction, elle consiste en une calcification des feuillets qui entraîne une sténose progressive de la BP et/ou une déchirure de feuillet responsable d’une régurgitation. On estime que 20 à 30% des BPs présenteraient un certain degré de dysfonction 10 ans après l’implantation. La DSB est donc la principale limitation à l’utilisation des BPs et aucun moyen efficace de traitement de la bioprothèse avant l’implantation n’a pu être établi pour stopper ou éviter la progression de la DSB. Cependant, des études récentes suggèrent que la DSB serait un processus complexe incluant plusieurs mécanismes : une inflammation liée à la présence de lipides qui ressemblerait au phénomène d’athérosclérose, un dépôt de calcium lié à un métabolisme phospho-calcique dysfonctionnel et une réponse immune. Ainsi de nouvelles perspectives de recherche pourraient aboutir au développement d’approches thérapeutiques que ce soit dans le choix de la prothèse ou le traitement à instituer au moment de la chirurgie afin de prévenir la DSB. Néanmoins, pour développer de nouvelles stratégies efficaces afin d’éviter la DSB, il est d’abord nécessaire de comprendre les mécanismes qui aboutissent à la DSB et d’identifier les facteurs liés à la prothèse ainsi que les facteurs cliniques et métaboliques liés au patient qui sont impliqués dans ces processus et en particulier ceux qui sont modifiables. L’objectif général du projet est d’élucider les mécanismes impliqués dans la pathogénèse de la dégénérescence structurelle des bioprothèses aortiques et d’identifier les facteurs cliniques et métaboliques qui déterminent de façon indépendante ce processus pathologique. / Worldwide it is estimated that 280 000 valve substitutes are implanted each year to replace diseased heart valves. Hence, valve replacement has improved the outcome of patients with valvular heart diseases. The trend over the last decade is towards the use of biological valves or bioprotheses instead of mechanical valves and at the present time, nearly 80% of the implanted valve substitutes are bioprostheses (BPVs). BPVs have a low thrombogenicity, which generally obviates the need for anticoagulation. However, the use of BPVs is still plagued by their limited durability. Structural valve deterioration (SVD) is the major cause of bioprosthetic valve failure expressed clinically by a progressive prosthetic stenosis due to leaflet calcification and/or by regurgitation due to leaflet tear. It is estimated that 20-30% of implanted BPVs will have some degree of dysfunction at 10 years. Thus, SVD is a major hurdle to the widespread utilization of BPVs. Unfortunately, there are currently no effective means by which progression of SVD may be reduced or stopped by the treatment of valve tissues before implantation. However, recent studies suggest that SVD is a complex process probably modulated by several mechanisms including an atherosclerotic-like lipid-mediated inflammation, a calcium deposit induced by a dysfunctional phospho- calcic metabolism and an immune response. Therefore, new directions of research could lead to the development of treatment approaches for the prevention of SVD such as the choice of a specific type of BPV or the initiation of a treatment at the time of valve replacement. Nonetheless, to develop new efficient treatments to avoid BPV failure, it is first required to understand the mechanisms leading to BPV SVD and to identify the factors related to the BPV itself and to the patient clinical and metabolic factors, especially the modifiable ones, that are involved in these processes. The general objective of the study is thus to elucidate the mechanisms implicated in the pathogenesis of structural valve deterioration of aortic bioprostheses and to identify the clinical and metabolic factors that independently determine this pathologic process.

L'implantation de valve aortique par cathéter (IVAC) a émergé comme une alternative thérapeutique pour les patients avec une sténose aortique (SA) sévère symptomatique considérée à haut risque pour le remplacement de valve aortique (RVA) chirurgicale. Nos objectifs étaient les suivants: 1) Déterminer l'incidence, les facteurs prédictifs et la valeur pronostique de l'insuffisance rénale aiguë (IRA) suite à l'IVAC, et de comparer l'incidence d'IRA chez les patients atteints d'insuffisance rénale chronique (IRC) pré-procédurale par rapport à un groupe ayant subi un RVA. 2) Évaluer l'utilité de l'échocardiographie transoesophagienne (ETO) pour guider l'IVAC par voie transapicale comme modalité d'imagerie primaire. 3) Comparer l'incidence et les facteurs prédictifs du bloc auriculo-ventriculaire (BAV) complet et d'implantation d'un pacemaker permanent (IPP) après l'IVAC par rapport au RVA. 4) Évaluer la faisabilité et la sécurité du test de marche de 6 minutes (6MWT) comme une mesure de la capacité d'exercice avant et après l'IVAC. 5) Évaluer le "Duke Activity Status Index" (DASI) comme une mesure de l'état fonctionnel/qualité de vie (QDV) pré-et post-IVAC, et de comparer l'état fonctionnel évalué par le DASI et la classification fonctionnelle de la "New York Heart Association" (NYHA) avec la capacité d'exercice, telle qu'évaluée par le 6MWT chez ces patients. Les résultats de notre premier travail ont montré que l'IRA s'est produite chez 11.7% des patients suite à l'IVAC et a été associée à un risque 4 fois supérieur de mortalité postopératoire. L'hypertension, la maladie pulmonaire obstructive chronique et les transfusions sanguines péri-opératoires étaient les facteurs prédictifs d'IRA. Chez les patients atteints d'IRC pré-procédurale, l'IVAC a été associée à une réduction significative d'IRA par rapport au RVA. Nous avons montré que l'ETO a été associée à une réduction significative de la quantité de produit de durant l'IVAC par voie transapicale. Suite à cela, nous avons démontré que l'IVAC avec la valve expansible par ballonnet a été associé à un taux plus élevé de BAV complet et IPP par rapport à le RVA. La présence du bloc de branche droite de base a montré une corrélation avec l'IPP dans le groupe IVAC. Nous avons démontré que l'IVAC a été associée à une amélioration significative de l'état fonctionnel/QDV ainsi que dans la distance parcourue lors du 6MWT après l'IVAC. Toutefois, une proportion substantielle de patients n'ont pas amélioré ou a même ont diminué leurs évaluations fonctionnelles après l'IVAC.

Les maladies valvulaires mitrales induisent une surcharge de pression ou de volume dans l’oreillette. L’augmentation de la pression auriculaire initie alors des complications secondaires, telles que l’hypertension artérielle pulmonaire, la fibrillation auriculaire et la thromboembolie. Les objectifs du remplacement valvulaire mitral sont donc d’améliorer l’hémodynamie de la valve, mais aussi de normaliser les pathologies secondaires. Ces objectifs ne sont pas nécessairement atteints chez tous les patients. Parfois, ils ne le sont que partiellement. L’objectif général de cette thèse est de mieux comprendre les interactions complexes entre le substitut valvulaire, les écoulements intra-auriculaires et la circulation pulmonaire. Nous avons donc développé un nouveau simulateur expérimental atrio-ventriculaire capable d’estimer ces interactions. Il est basé sur le respect du synchronisme entre les contractions et relaxations des deux cavités cardiaques, modélisées par deux moules en silicone. Deux pompes, asservies par un contrôleur temps réel, autorisent une double activation rigide et synchronisée, et la maîtrise des volumes des moules de l’oreillette et du ventricule. Un modèle Windkessel simule la circulation pulmonaire et une troisième pompe l’éjection du ventricule droit. Les courbes pression-volume des cavités et les impédances aortique et pulmonaire mesurées sur le simulateur sont totalement physiologiques, excepté l’amplitude de la pression auriculaire qui demeure encore trop élevée. La forme du moule de l’oreillette, totalement anatomique et comprenant quatre veines pulmonaires et l’appendice auriculaire gauche, permet une organisation de l’écoulement intra-auriculaire très proche de celle observée in-vivo. La visualisation de ces écoulements est réalisée par vélocimétrie par images de particules trois composantes et multi-plans, associée à une méthode de masquage automatique des régions d’intérêt. Nous avons étudié, par une approche numérique, l’impact de la disproportion patient-prothèse en position mitrale sur les pressions auriculaire gauche et artérielle pulmonaire. Le modèle numérique a permis de valider les seuils d’aire valvulaire effective indexée utilisés en clinique pour estimer la présence et la sévérité de la disproportion patient-prothèse. Par ailleurs, nous avons démontré au moyen du simulateur atrio-ventriculaire que l’aire valvulaire effective d’une prothèse mitrale varie de l’ordre de 30% durant la diastole, ce qui remet en cause l’hypothèse selon laquelle cette variable ne change pas durant cette période. Enfin, nous avons mis en évidence l’impact positif de la régurgitation d’une prothèse mécanique sur la thrombogénèse, similairement à l’insuffisance mitrale, au détriment d’une augmentation de la pression artérielle pulmonaire. Les nouvelles connaissances et le nouvel outil expérimental présentés dans cette thèse pourraient être utilisés, à l’avenir, pour améliorer les prothèses valvulaires mitrales et développer des stratégies visant à optimiser les résultats du remplacement valvulaire mitral. / Mitral valve diseases induce left atrial pressure or volume overload. The resulting increase of left atrial pressure, in turn, leads to secondary abnormalities, such as pulmonary arterial hypertension, atrial fibrillation and thromboembolism. Therefore, the main goals of mitral valve replacement are to restore the valvular hemodynamics and to normalize the secondary abnormalities. The general objective of this thesis is to better understand the complex interactions between the valve substitute, the intra-atrial flow patterns, and the pulmonary circulation. We, therefore, developed a new in-vitro pulsed atrio-ventricular mock circulatory system to investigate these interactions. The setup is based on the perfect synchronization between the contractions and relaxations of the two cardiac cavities, which are mimicked by two silicone moulds. Two pumps, real time servo-controlled, allow the double rigid and synchronized activations of the moulds, and the control of left atrial and left ventricular volumes. A Windkessel model is used as the pulmonary circulation and a third pump mimick the right ventricular ejection. Pressure-volume curves of the cardiac cavities and aortic and pulmonary impedances, measured in-vitro, are totally concordant with the cardiac physiology, except the amplitude of the left atrial pressure which remains too elevated. The anatomical shape of the left atrial mould includes the four pulmonary veins and the left atrial appendage. This realistic geometry allows flow patterns very closed to those observed in-vivo. Their visualization is performed using multi-planes three components particle image velocimetry, associated with an automatic mask generation. Using a numerical approach, we investigated the impact of mitral prosthesis-patient mismatch on left atrial and pulmonary arterial pressures. The numerical model was used to validate the cut-off values of indexed effective orifice areas generally used to define the presence and the severity of prosthesis-patient mismatch in the clinical setting. With the use of the mock circulatory system, we showed that the effective orifice area of mitral prostheses may exhibit variations of ±30% during diastole, which contradicts the previous hypothesis stating that this variable remains constant during this period. Finally, we described the positive impact of the mechanical mitral prosthetic valve regurgitation on thrombogenesis, similarly to mitral insufficiency, to the expense of an increase of the pulmonary arterial pressure. The new knowledge and the new experimental setup presented in this thesis may prove to be useful to optimize the design of mitral prosthetic valves and the performance of mitral valve replacement.