En République Démocratique du Congo (RDC), les savanes couvrent 76,8 millions d’hectares et constituent le second type d’écosystème après les forêts denses qui représentent 10% des forêts au niveau mondial. Ces formations herbeuses et arbustives offrent des potentialités importantes de séquestration du dioxyde de carbone pouvant contribuer par le fait même à la lutte contre le réchauffement climatique. C’est dans cette optique que se situe cette thèse intitulée « Évolution naturelle de savanes mises en défens à Ibi-village sur le plateau des Bateke en République Démocratique du Congo» dans le cadre du projet puits carbone d’IBI-Bateke. L’objectif général de notre recherche est d’étudier l’évolution naturelle en absence de feu de savanes situées dans des zones climatiques avec précipitations abondantes. Le plateau des Bateke nous a servi d’analyse de cas. Les inventaires floristiques et dendrométriques de la strate arbustive et arborescente de nos dispositifs hiérarchiques, ont permis de suivre ce processus naturel en tenant compte du gradient écologique dans les trois types de formations végétales (îlot forestier, la galerie forestière et la plantation d’Acacia auriculiformis). Nous avons mis en défens des savanes arbustives du plateau des Bateke pour étudier leur évolution naturelle vers une forêt, leur établissement, qualité, régénération forestière et en déterminer le taux de séquestration du carbone à l’aide des équations allométriques de Chave et al. (2005). Nous avons obtenu des valeurs moyennes de 107,477 t/ha de biomasse totale soit 51,05 Mg C/ha dans la galerie forestière, 103,772 t/ha de biomasse totale soit 49,29 Mg C/ha dans l’Îlot forestier, et 22,336 t/ha de biomasse totale soit 10,60 Mg C/ha dans la plantation. La mise en défens a stimulé l’installation des espèces forestières, et par le fait même accéléré la production de biomasse et donc la fixation de carbone. La comparaison de la richesse et la diversité spécifiques de l’Îlot et la galerie montre 22 familles botaniques inventoriées avec 55 espèces dans l’îlot forestier contre 27 familles dont 58 espèces dans la galerie. L’analyse canonique réalisée entre les variables de croissance et les variables environnementales révèle qu’il existe effectivement des relations fortes d’interdépendance entre les deux groupes de variables considérées. Cette méthodologie appropriée à la présente étude n’avait jamais été évoquée ni proposée par des études antérieures effectuées par d’autres chercheurs au plateau des Bateke. Mots Clés : Galerie forestière, Îlot forestier, mise en défens, plantation d’Acacia auriculiformis, reforestation, régénération naturelle, République Démocratique du Congo, savanes. / In the Democratic Republic of Congo (DRC), savannas cover 76.8 million hectares and are the second type of ecosystem after the dense forests that represent 10% of the world forests. These grassland and shrubland formations offer significant potential for sequestering carbon dioxide and could contribute thereby to the fight against global warming through reforestation. It is in this context that this thesis is entitled "Natural evolution towards the forest through savannah exclosure in Ibi village on the plateau of Bateke, Democratic Republic of the Congo" in the framework of the IBI- Bateke carbon sink. The overall objective of our research is to study the natural evolution of savannahs in the absence of fire in climatic zones with abundant rainfall. The Bateke plateau serves as a case study. Floristic and dendrometric inventories of shrub and tree strata allowed to follow this natural process taking into account the ecological gradient in the three types of vegetation (forest island, forest gallery and Acacia auriculiformis plantation). We protected shrub savannahs of Bateke plateau to study their natural evolution towards a forest, their establishment, quality, forest regeneration and determine the carbon sequestration rates using allometric equations of Chave et al . (2005). We obtained averaged values of 107,477 t/ha of total biomass or 51,05 Mg C / ha in the gallery forest, 103,772 t/ha of total biomass or 49,29 Mg C / ha in forest Island, and 22,336 t/ha of total biomass or 10,60 Mg C / ha in the plantation. The exclosure has stimulated the installation of forest species, and thereby accelerated the production of biomass and thus carbon sequestration. The comparison of species richness and diversity for forest island and forest gallery shows 22 botanical families inventoried with 55 plant species in the forest island against 27 families with 58 species in the gallery. The canonical analysis conducted between growth variables and environmental variables reveals that there is indeed a strong interdependence relationship between the two variables considered groups. The appropriate methodology for this study was never mentioned nor suggested by previous studies by other researchers on the plateau Bateke. Keywords: Forest gallery, forest island, exclosure, Acacia auriculiformis plantation, reforestation, natural regeneration, Democratic Republic of the Congo, savannas.

La restauration écologique des tourbières se définit comme l’ensemble des procédés permettant d’assister à la régénération d’une tourbière qui a été dégradée, endommagée ou détruite. La gamme des tourbières perturbées qui nécessitent des actions de restauration est très diversifiée. L’étude de la régénération naturelle des écosystèmes perturbés a fréquemment été utilisée pour développer des méthodes de restauration qui sont adaptées aux types spécifiques de ces écosystèmes. Une compréhension plus complète des trajectoires de régénération, des contraintes environnementales et de dispersion, ainsi que des interactions interspécifiques, est directement reliée au développement de méthodes de restauration et à l’amélioration de nos connaissances sur la réponse des espèces et des communautés à des changements environnementaux. Cette thèse étudie la régénération de la végétation, plus spécialement des bryophytes, ainsi que les facteurs influençant leur régénération dans trois cas problématiques de restauration des tourbières perturbées. Premièrement, la régénération des communautés de bryophytes a été étudiée en fonction des conditions environnementales dans 28 tourbières minérotrophes des Territoires du Nord-Ouest et de l’Alberta ayant brûlé il y a un, deux ou cinq ans. Un changement de dominance a été observé entre les bryophytes pionnières (couvert moyen passant de 16 à 11 %) et les bryophytes de succession tardive (3 à 27 %) entre la 2e et la 5e année après le feu. La répartition et l’abondance des espèces de bryophytes semblent être contrôlées par leurs différences de capacité de régénération en lien avec leur stratégie d’histoire de vie, leur niche écologique et l’effet variable de la biomasse carbonisée. L’intégration de la notion de niche écologique chez les bryophytes de succession tardive ainsi que l’utilisation des espèces ayant un fort potentiel de régénération (comme Aulacomnium palustre et Ptychostomum pseudotriquetrum) devraient être considérées lors de l’élaboration des plans de restauration des tourbières minérotrophes. Deuxièmement, la régénération des sphaignes a été étudiée dans 25 sites donneurs (tourbières ombrotrophes où la végétation de surface a été récoltée pour servir de matériel de réintroduction) sur une chronoséquence de 17 ans en fonction des conditions environnementales et des pratiques de récolte. Les sphaignes dans les sites donneurs se régénèrent en moyenne en 10 ans, quoique des différences mineures dans la composition et l’abondance des espèces ont été observées entre les sites donneurs et les tourbières naturelles. Les espèces pionnières (p. ex., Eriophorum vaginatum), compétitives (p. ex., Sphagnum rubellum) et préférentielles des microhabitats plus humides (p. ex., Chamaedaphne calyculata) étaient plus abondantes dans les sites donneurs. Les pratiques de récolte avaient l’effet le plus important sur la régénération de la végétation, suggérant qu’il est possible d’accélérer la reprise des sphaignes en adoptant des pratiques de récolte appropriées. Des pratiques responsables consistent à éviter les sites donneurs très humides et la récolte durant le milieu de l’été lorsque les mousses ont un plus faible potentiel de régénération et lorsque le risque d’enlisement de la machinerie est élevé. Troisièmement, la régénération et le développement de tapis de sphaignes ont été étudiés dans deux types de tourbières restaurées et colonisées par des plantes pionnières de type graminoïde (Cypéracées). Dans le premier cas, le Carex aquatilis dominait un fen modérément riche restauré et formait des communautés denses avec beaucoup de litière. Dans le deuxième cas, l’Eriophorum angustifolium était dominant avec un faible couvert de litière dans une tourbière à sphaignes restaurée où la densité de la plante graminoïde avait été contrôlée par coupe répétée. Il a été démontré que l’effet des plantes graminoïdes sur les tapis de sphaignes était déterminé par leur litière plutôt que par la structure de la plante elle-même. En raison de l’ombre créée par la litière compacte, la présence d’une communauté dense d’une plante graminoïde accumulant beaucoup de litière comme Carex aquatilis ne semble pas être bénéfique pour développer des tapis de sphaignes productifs. La décision de contrôler les plantes graminoïdes pour accroitre le développement des tapis de sphaignes devrait prendre en considération, bien sûr, le couvert de la plante (non requis si le couvert moyen < 30 %), mais aussi sa forme de croissance (moins essentiel lorsque la plante pousse en tige unique), de même que ses potentiels d’accumulation de litière et d’envahissement (p. ex., Phragmites australis, Scirpus cyperinus). En somme, en plus de répondre spécifiquement à trois cas problématiques de restauration de tourbières perturbées, cette thèse fournit une compréhension améliorée des processus de régénération naturelle des écosystèmes de tourbières et des facteurs qui les influencent. Les résultats ont un lien direct avec le développement d’outils pour la restauration et avec l’approfondissement de nos connaissances sur les réponses des organismes et des communautés végétales aux changements de l’environnement. / The ecological restoration of peatland is defined as all the processes permitting the regeneration of a peatland that has been degraded, damaged or destroyed. The landscape settings and types of peatlands that require restoration actions is very diverse. The study of natural regeneration of disturbed ecosystems has frequently been used to develop restoration methods that are adapted to specific types of ecosystems. A comprehensive assessment of regeneration trajectories and the environmental and dispersal constraints, as well as the interspecific interactions is directly related to the development of restoration methods and the improvement of our knowledge on the response of species and communities to environmental changes. This thesis studies the regeneration of vegetation, especially of bryophytes, and the factors influencing their regeneration in three problematic cases of restoring disturbed peatland. Firstly, the regeneration of bryophyte communities was studied against a range of environmental conditions in 28 minerotrophic peatlands in the Northwest Territories and Alberta that had burned one, two or five years ago. A shift of dominance between pioneer (mean cover from 16 to 11 %) and late successional bryophytes (from 3 to 27 %) was observed between the second and fifth year after the fire. Bryophyte distribution and abundance were controlled by the species difference in terms of regeneration capacity related to their life history strategy, habitat niche, and the variable effect of the burned biomass. The integration of the ecological niche concept for late successional bryophytes and the use of species with a high potential of regeneration (such as Aulacomnium palustre and Ptychostomum pseudotriquetrum) should be considered during the elaboration of restoration plans of minerotrophic peatlands. Secondly, the regeneration of Sphagnum mosses was studied in 25 donor sites (peatlands where surface vegetation was harvested to supply reintroduction material) on a chronosequence of 17 years according to environmental conditions and harvesting practices. It takes on average 10 years for Sphagnum mosses in donor sites to recover, though minor differences in the species composition and abundance was observed between donor sites and natural peatlands. Pioneer species (e.g., Eriophorum vaginatum), competitive species (e.g., Sphagnum rubellum) and preferential species of wet microhabitats (e.g., Chamaedaphne calyculata) were more abundant in donor sites. Harvesting practices had the greatest effect on the regeneration of donor sites, suggesting that it is possible to speed up Sphagnum regeneration by choosing appropriate management practices. Best practices would be avoiding very wet donor sites and harvesting in the midsummer should be avoided when mosses are at their lowest regeneration potential and when the risk of machinery sinking is high. Thirdly, the regeneration and development of the Sphagnum carpets were studied in two experiments conducted in two types of restored peatlands colonized by pioneer graminoid plants (Cyperaceae). In the first experiment, Carex aquatilis dominated a moderately rich restored fen and formed dense communities with a lot of litter. In the second experiment, Eriophorum angustifolium was dominant with a low cover of litter in a restored cutover Sphagnum-dominated bog where the graminoid plant cover was controlled by repeated mowing. It was demonstrated that the effect of graminoid plants on the Sphagnum carpet was determined by the litter rather than by the structure of the plant itself. Because of the shade created by the dense litter, the presence of a community of a graminoid plant that accumulates a lot of litter such as Carex aquatilis is not beneficial for the formation of productive Sphagnum carpets. The decision to control graminoid plants to enhance the growth of Sphagnum carpets should consider the cover of the plant (not necessary when mean cover < 30 %), but also its life form (less necessary when the plant grows in unique stem), its litter accumulation and potential for invasion (e.g. Phragmatis australis, Scirpus cyperinus). In conclusion, this thesis, in addition to specifically address these three problematic cases, provides a more comprehensive assessment of the processes of natural regeneration of peatland ecosystems and of driving factors. The results have a direct link with the development of tools for the restoration of peatlands and with a deeper understanding of the responses of plants and communities to environmental changes.

L’aménagement des peuplements mixtes est un défi de taille pour les sylviculteurs. La régénération de plusieurs essences au sein de peuplements mixtes semble toutefois plus ardue et les scénarios sylvicoles conventionnels ne sont pas toujours adaptés en fonction de leurs besoins. C’est entre autre le cas du thuya occidental (Thuja occidentalis L.) dont il sera question dans cette étude. En effet, au cours des dernières décennies, une diminution de la présence du thuya sur la majorité de son aire de distribution a été constatée. Des pratiques sylvicoles mal adaptées ainsi qu’une augmentation des populations de cerf de Virginie ont fort probablement contribué à ce déclin du thuya dans les forêts mixtes de l’est de l’Amérique du Nord. Cette situation a conduit les aménagistes forestiers à tester diverses approches sylvicoles afin de permettre le maintien du thuya au sein des peuplements auxquels il était présent. Des études expérimentales antérieures ont permis de déterminer que la proximité des semenciers, la qualité du microsite d’implantation, l’ouverture du couvert ainsi que le broutement par les herbivores sont des facteurs déterminants du succès de régénération du thuya. Toutefois, les recommandations issues de ces études n’ont pas été validées à l’échelle opérationnelle. Cette étude a comme objectif de valider si les coupes de jardinage réalisées par l’industrie permettent au thuya de se régénérer sur les sites sur lesquels il est présent à l’origine. Les sites étudiés font partie du réseau de suivi des effets réels du jardinage établi par le Ministère des forêts, de la faune et Parcs (MFFP) en 1995. Au total, 70 placettes-échantillons permanentes ont été visitées afin d’obtenir des informations sur la régénération, les gaules, l’intensité de coupe, le couvert arbustif, les microsites utilisés et disponible ainsi que la présence de broutement. Les résultats obtenus indiquent que même dans un contexte opérationnel, les coupes de jardinage peuvent favoriser la régénération de thuya. Toutefois, l’intensité de coupe, la présence de semenciers à proximité, la disponibilité de microsites propices et la présence de végétation concurrente viennent influencer l’abondance, la croissance ainsi que le recrutement des semis et gaules de thuya dans le peuplement résiduel.

Après une perte importante d’un tissu cartilagineux, plusieurs possibilités s’offrent aux chirurgiens pour remplacer cette perte tissulaire. Parmi, cela nous trouvons, les greffes autologues ou allogéniques et l’utilisation de polymères biocompatibles. Sans oublier que jusqu’aujourd’hui, les propriétés et la structure du cartilage natif n’ont pas été entièrement imitées par l’ingénierie tissulaire. Étant donné les limitations des méthodes actuelles, telles que : la pénurie des donneurs, l’immunogénicité des greffons allogéniques, et le manque d’intégration des polymères l’ingénierie tissulaire du cartilage pourrait constituer une excellente alternative aux méthodes actuelles. Nos objectifs pour cette thèse sont (i) de produire une matrice composite constituée de polymères naturels; (ii) d’évaluer les propriétés physicochimiques de ces matrices composites, et (iii) d’évaluer les propriétés biologiques de ces matrices pour la production de tissu cartilagineux. Nous avons réalisé qu’une combinaison des deux biopolymères, le collagène et le chitosane, nous a permis d’obtenir une matrice avec des propriétés mécaniques et biologiques renforcées en comparaison à une matrice de collagène seul. La caractérisation physicochimique de nos matrices nous a permis de mieux comprendre les types de réactions chimiques produites entre les deux polymères et les différents autres constituants de la matrice utilisés pour des fins mécaniques, tel que le glutaraldéhyde, et pour des fins biologique, s tels que l’acide glutamique et la glycine. En second lieu, nos résultats portant sur la caractérisation biologique nous ont permis de confirmer que nos matrices composites produites, ensemencées de chondrocytes, favorisent l’adhésion et la prolifération de ces cellules. Nos résultats démontrent de façon tangible l’efficacité d’une combinaison entre le collagène et le chitosane pour la régénération in vitro de tissus cartilagineux. Ces résultats devront être confirmés in vivo en utilisant un modèle animal afin de confirmer la pertinence des membranes composite à base de collagène et de chitosane pour des applications biomédicales, dont le remplacement du cartilage endommagé. / Given the large number of patients suffering from cartilage damage, with different degrees of severity affecting all ages, a wide range of approaches has been designed. These include autologous or allogeneic grafts, the implementation of polymers, etc. However, each of these cartilage replacement do have significant limitations, such as the scarcity of donors, the risk of infection and disease transmission, the immunogenicity of the polymer implants and their reduced integration with native tissue. To overcome these limitations, tissue engineering cartilage could be an excellent alternative. The objectives of our studies are (i) to produce a natural composite matrix containing collagen and chitosan, (ii) evaluate the physicochemical properties of these composite matrices, and (iii) investigate the biological properties of these matrices for the production of cartilage tissue. Our structural and ultrastructural analyses demonstrated that collagen porous membrane can be coated with chitosan at different concentration leading to the formation of a natural composite matrix. The physicochemical characterization confirmed the chitosan interaction with collagen leading to a mechanically stable matrix that can easily be handled. It is also important to mention that the use of cross-linker such as glutaraldehyde improved the mechanical properties of the composite matrix. These designed composite matrixes were biocompatible allowing cell adhesion and growth. These biological activities were improved when composite matrix was pre-treated with glutamic acid and glycine. Such matrix offered appropriate condition allowing the adhesion and growth of chondrocytes. Overall, we were able to design a composite matrix by combining collagen membrane and chitosan solutions. Although very interesting, our in vitro data should be confirmed by in vivo studies using an animal model, prior to clinical applications.

Au Québec, le thuya occidental (Thuja occidentalis) est l'une des essences commerciales les moins étudiées, principalement lorsqu’elle se retrouve dans des peuplements mixtes, et ce, malgré sa raréfaction sur une bonne partie de son aire de répartition. Ce déclin serait associé à des pratiques forestières inadéquates pour le thuya et à l'augmentation des populations de cerfs de Virginie qui limiterait le recrutement des thuyas. Les objectifs généraux de ce projet étaient de mieux comprendre la dynamique de régénération du thuya dans les vieilles forêts mésiques de l’ouest du Québec et d’évaluer si le cerf de Virginie compromet son renouvellement. À cette fin, nous avons cherché à vérifier si (i) la disponibilité des lits de germination favorables limite l'établissement du thuya dans les vieilles forêts et si (ii) le recrutement au-delà d'une certaine hauteur est limité par le broutement par le cerf dans deux régions contrastantes en termes d’herbivorie. Nos résultats ont mis en lumière des associations positives et significatives entre les semis d’origine sexuée de thuya et la mousse comme substrat de surface, le bois mort comme substrat d’enracinement et la microtopographie en monticule. Aucune association significative n’a été relevée pour les marcottes. Nous avons aussi relevé une interaction significative entre la classe de hauteur des semis et la distance avec le ravage de cerfs le plus proche pour les semis de thuya de 15 cm et plus. Les analyses dendrochronologiques ont quant à elles démontré une synchronisation des épidémies de tordeuse des bourgeons de l’épinette avec les périodes de détentes de croissance du thuya et certaines vagues de régénération.

L'extraction de la tourbe à des fins horticoles laisse parfois un écosystème résiduel avec une tourbe de type minérotrophe qui ne retrouve pas un couvert végétal représentatif d'un milieu naturel sans assistance humaine. Par contre, on peut y retrouver des couverts végétaux “spontanés” très importants. Mieux connaitre ces tourbières pourrait permettre de comprendre les facteurs favorisant le retour de la végétation après une perturbation importante. La tourbière de Moss Spur (Manitoba) fait partie de ces tourbières s'étant revégétées de façon naturelle et constitue l'objet de ce mémoire. Dix-neuf ans se sont écoulés entre la cessation des activités d'extraction et la collecte des données. Le site a été séparé en 24 secteurs, sur lesquels ont été répartis 97 quadrats de végétation et 47 puits de mesure de la nappe phréatique. En plus des données de végétation et de nappe phréatique, plusieurs variables environnementales ont été mesurées. Une analyse de groupement a été faite sur les données de végétation et des analyses multivariées ont été effectuées révélant que le pH de l'eau, l'épaisseur de tourbe résiduelle et la nappe phréatique sont les variables ayant le plus de pouvoir explicatif. Les trois groupes de quadrats inventoriés ont des assemblages végétaux bien distincts, s'apparentant à ceux qu'on trouve dans des fens modérément riches, des bogs ou des marais. Le pH de l'eau (allant de 4,27 à 6,88) est lié positivement avec le gradient de végétation bog-fen-marais et varie grandement à l'échelle de la tourbière, donnant ainsi un paysage de mosaïque qui représente les différences chimiques du site. Les résultats indiquent qu'une tourbière de type minérotrophe peut retrouver une végétation de milieu humide sans assistance humaine autre que certaines actions de remouillage.

L’atrophie et les dysfonctions musculaires sont des problèmes courants et d’origines variées. À titre d’exemple l’alitement prolongé, le SIDA, les cancers, l’hypogravité et le vieillissement peuvent tous entraîner une perte de masse et de force musculaire. Malgré les coûts économiques et sociaux élevés, relativement peu d’efforts ont été investis dans la caractérisation des processus qui gouvernent l’atrophie/dysfonction musculaire et dans le développement de traitements plus efficaces. Conséquemment, cette thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les mécanismes qui régulent l’atrophie/dysfonction et la récupération des muscles atrophiés par sous-utilisation. Tout d’abord, nous avons caractérisé l’impact des leucocytes impliqués lors de la remise en charge du muscle soléaire atrophié par hypogravité. Ainsi, nous avons démontré que les mastocytes étaient activés par la remise en charge et que leur dégranulation orchestrait le recrutement des neutrophiles et des monocytes/macrophages. Ensuite, nos recherches ont indiqué que l’activité des neutrophiles pouvait être régulée en fonction de leur microenvironnement et que leur présence dans les muscles atrophiés et inflammés n’était pas nécessairement associée à l’induction de dommages secondaires. Par la suite, nous avons établi que la présence des macrophages était importante pour permettre la récupération optimale de la force des muscles atrophiés. Nous avons également démontré que l’activité myogénique des macrophages pouvait être optimisée en favorisant leur phénotype anti-inflammatoire avec le facteur de croissance hématopoïétique « macrophage-colony stimulating factor » (M-CSF). Finalement, nous avons caractérisé l’impact du « receptor activator of NF-kB » (RANK) et de son ligand RANKL, une voie signalétique impliquée dans le remodelage osseux et l’ostéoporose, sur l’atrophie/dysfonction musculaire. Nous avons démontré qu’une déficience de RANK ou le blocage de RANKL par l’ostéoprotégérine protègent contre la perte de force des muscles dénervés ou dystrophiques. Ce phénomène est associé à des modifications dans l’expression des protéines favorisant une recaptation plus efficace du calcium. De plus, RANK participe à la reconversion des fibres rapides vers lentes durant la période de remise charge. Globalement, nos travaux permettent de mieux comprendre les mécanismes entourant l’atrophie, la croissance et les dysfonctions musculaires et ouvrent la voie à de nouvelles pistes de traitement pour plusieurs maladies neuro-musculaires. / Muscle atrophy and dysfunction are characterized by a loss of muscle mass and force, which are commonly found in many pathologies or conditions such as AIDS, cancers, chronic obstructive pulmonary diseases, cast immobilization, hypogravity, bed rest or aging, to name a few. Muscle atrophy/dysfunction have also very high social and economic costs, but very few laboratories have investigated the cellular and molecular mechanisms behind these muscular problems. The aim of this thesis is therefore to enhance our understanding of different mechanisms governing muscle atrophy/dysfunction and regrowth by using different models of disuse and dystrophy. Thus, we have initially explored the roles of different leucocytes in atrophied and reloaded soleus muscle. Firstly, we looked at the role of mast cells and showed that the mechanical stress associated with muscle reloading is able to stimulate mast cell degranulation, which orchestrates the recruitment of neutrophils and monocytes/macrophages. Secondly, our experiments revealed that neutrophil activity is adaptable and that neutrophil-induced tissue damage is dependent on the microenvironment. In atrophied and reloaded muscles, the presence of neutrophils is not associated with secondary damage or promotion of muscle recovery. Thirdly, we demonstrated that the presence of macrophages is essential for optimal muscle force recovery from atrophy. Fourthly, we showed that the macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) promote the myogenic activity of macrophages by stimulating their anti-inflammatory phenotype. Finally, we investigated the impact of the receptor activator of NF-kB (RANK) and its ligand RANKL, a signalling pathway involved in bone remodelling and osteoporosis, on muscle atrophy and dysfunction. Our results showed that the specific deletion of RANK in the muscle or the blockage of RANKL with osteoprotegerin increased significantly force production in denervated and dystrophic muscles. These results were associated with various modifications in calcium handling protein expression favouring efficient calcium uptake. Moreover, we also demonstrated that RANK activation gives preference to the reconversion from fast-to-slow muscle fibers following hindlimb unloading/reloading. Overall, our results bring a better understanding of different mechanisms related to muscle atrophy, dysfunction and regrowth and potentially open new avenues for the treatment of several debilitating skeletal muscle conditions.

Jusqu'à il y a quelques années, chaque année, aux États-Unis, plus de 500 000 personnes devaient réparer leurs défauts osseux. Il a été prédit que le besoin de telles réparations doublerait aux États-Unis et dans le monde d'ici 2020. Les techniques de greffe osseuse sont couramment utilisées pour guérir de gros défauts osseux. Cependant, la greffe osseuse présente certains inconvénients tels que l'infection, la douleur, la morbidité et le manque de site donneur. L'échafaudage osseux est considéré comme une approche alternative pour guérir les défauts osseux sans complications liées à la greffe. Les échafaudages osseux sont considérés comme des implants temporaires, car après la formation de nouveaux tissus, leur présence n'est plus nécessaire. Des métaux poreux biodégradables (résorbables) ont été développés et étudiés en tant qu'échafaudages osseux temporaires. Ces structures poreuses fournissent un support mécanique et un espace biologique pour la régénération tissulaire. Ces implants se corrodent pendant le processus de régénération tissulaire et, idéalement, ils devraient disparaître une fois le processus de guérison terminé. Ainsi, aucune chirurgie secondaire pour les retirer ne serait nécessaire. Une tâche cruciale des échafaudages osseux résorbables est de fournir un support mécanique pour la formation de nouveaux tissus. Les échafaudages doivent conserver leur intégrité mécanique sans défaillance en raison des charges mécaniques appliquées à partir du milieu environnant. En revanche, en tant qu'implants orthopédiques, leur rigidité ne doit pas être supérieure à celle du tissu osseux environnant en raison du risque de stress shielding. Ainsi, la compréhension des facteurs influençant la réponse mécanique de l'échafaudage osseux lors de la dégradation et la prédiction de leurs propriétés mécaniques sont cruciales. La conception et la fabrication d'échafaudages résorbables sont un sujet d'intérêt pour les chercheurs. Des analyses détaillées qui expliquent les propriétés mécaniques post-corrosion des échafaudages métalliques résorbables en fonction de leurs caractéristiques architecturales post-corrosion font défaut dans la littérature. Ce projet de doctorat porte sur le comportement mécanique de la mousse de fer galvanisée à cellules ouvertes avec des entretoises creuses pour les applications d'échafaudage osseux. En particulier, les relations entre les propriétés structurales et mécaniques, les propriétés mécaniques après corrosion et les paramètres micro-architecturaux induits par la corrosion des mousses de fer ont été explorées. En outre, des modèles d'éléments finis idéalisés (mousse Kelvin) d'un témoin ainsi qu'un échantillon de mousse de fer corrodé ont été développés sur la base de mesures de tomographie micro-calculée et de modes de corrosion pour prédire la réponse mécanique post-corrosion de la mousse de fer (test in silico). La thèse comprend une introduction, trois chapitres contenant une revue approfondie de la littérature et les études menées pour le projet de doctorat, et une section Conclusion. Des données supplémentaires sur les études réalisées se trouvent en annexe. Dans l'introduction, un bref historique sur les échafaudages osseux, l'application de métaux poreux biodégradables (résorbables) dans les échafaudages, l'énoncé du problème, les objectifs de recherche, la stratégie de recherche et la nouveauté de cette recherche sont présentés. Le chapitre 1 contient une revue approfondie de la littérature sur les sujets pertinents au sujet de la thèse tels que l'application de métaux biodégradables comme implants temporaires, la fabrication et l'application de mousses métalliques résorbables comme échafaudages osseux ainsi que leurs propriétés mécaniques et de corrosion, temps de corrosion propriétés mécaniques dépendantes des échafaudages métalliques résorbables, approches de modélisation analytique et informatique pour prédire le comportement mécanique des mousses métalliques et modélisation informatique de la dégradation dans les métaux résorbables. Le chapitre 2 traite de la première étape du projet de doctorat qui était une étude sur les propriétés mécaniques des mousses de fer électrolytiques à cellules ouvertes avec entretoises creuses. Dans cette étude, des échantillons de mousses de fer aux propriétés architecturales différentes, c'est-à-dire la taille des alvéoles, l'épaisseur des branches et la taille des pores, ont subi des essais de compression mécanique et le rôle de leurs paramètres architecturaux ainsi que leur densité relative dans leurs différentes réponses à la compression (quasi-gradient élastique, élasticité et résistance à la compression) a été discuté. De plus, une modélisation par éléments finis des mousses Kelvin a été développée pour fournir une meilleure compréhension des effets de creux des entretoises sur les propriétés mécaniques de la mousse. Le chapitre couvre une introduction, la méthodologie, les résultats, la discussion et une section de conclusion. Le chapitre 3 traite des propriétés mécaniques post-corrosion et des configurations architecturales des mousses de fer à entretoises creuses. Les échantillons de mousse de fer ont subi des tests d'immersion dans une solution de Hanks jusqu'à 14 jours, suivis de tests de nettoyage et de compression mécanique. Les facteurs influençant les propriétés mécaniques de la mousse corrodée ont été explorés, c'est-à-dire la dégradation structurelle, les produits de corrosion adhérents et les changements micro-architecturaux au niveau des entretoises. une tomographie micro-calculée a été utilisée pour mesurer les paramètres architecturaux du contrôle et des mousses corrodées pendant 14 jours. Sur la base des mesures architecturales, des modèles d'éléments finis de mousse Kelvin ont été développés pour prédire la réponse mécanique des mousses corrodées. De plus, un nouveau modèle de mousse Kelvin a été développé pour prédire la réponse mécanique des mousses de fer corrodées sous corrosion homogène, le mécanisme de corrosion qui n'avait pas été observé dans les expériences. Enfin, les faits saillants les plus importants des études sont présentés dans la section Conclusion. Aussi, les limites et les bénéfices potentiels des résultats de ce projet pour les futurs travaux de recherche sont expliqués, et de nouvelles idées pour les futurs projets concernant le comportement mécanique des mousses métalliques résorbables sont proposées. / Up to a few years ago, every year, in the Unites States, more than 500,000 people needed to repair their bone defects. It was predicted that the need for such repairs would double in US and worldwide by 2020. Bone grafting techniques are commonly used to heal large bone defects. However, there are certain drawbacks with bone grafting such as infection, pain, morbidity and shortage of donor site. Bone scaffolding is considered as an alternative approach to heal bone defects without complications raised from grafting. Bone scaffolds are considered as temporary implants, since after the formation of new tissue, their presence is not needed anymore. Porous biodegradable (absorbable) metals have been developed and studied as temporary bone scaffolds. These porous structures provide mechanical support and biological space for tissue regeneration. These implants corrode during tissue regeneration process, and, ideally, they should disappear once the healing process ends. Thus, no secondary surgery to remove them would be needed. One crucial task for absorbable bone scaffolds is to provide mechanical support for new tissue formation. The scaffolds must keep their mechanical integrity without failing due to mechanical loads applied from the surrounding environment. On the other hand, as orthopedic implants, their stiffness should not be higher than the surrounding bone tissue due to the risk of stress shielding. Thus, understanding the influencing factors on the mechanical response of the bone scaffold during degradation and predicting their mechanical properties are crucial. Design and fabrication of absorbable scaffolds is a topic of interest for researchers. Detailed analyses that explain the post-corrosion mechanical properties of absorbable metal scaffolds based on their post-corrosion architectural features are lacking in the literature. This PhD project addresses the mechanical behavior of electroplated open cell iron foam with hollow struts for bone scaffolding applications. In particular, the structural-mechanical properties relationships, post-corrosion mechanical properties and the corrosion-induced micro-architectural parameters of the iron foams have been explored. In addition, idealized finite element models (Kelvin foam) of a control as well as a corroded iron foam specimen were developed based on micro-computed tomography measurements and corrosion modes to predict the post-corrosion mechanical response of the iron foam (in silico test). The thesis comprises an Introduction, three chapters containing a thorough literature review and the studies conducted for the PhD project, and a Conclusion section. Additional data about the performed studies are found in the Appendix. In the Introduction, a brief background on bone scaffolds, the application of porous biodegradable (absorbable) metals in scaffolding, problem statement, research objectives, research strategy, and the novelty of the research are presented. Chapter 1 contains a thorough literature review on the subjects relevant to the topic of the thesis such as the application of biodegradable metals as temporary implants, fabrication and application of absorbable metal foams as bone scaffolds as well as their mechanical and corrosion properties, corrosion-time dependent mechanical properties of absorbable metallic scaffolds, analytical and computational modelling approaches to predict the mechanical behavior of metal foams and computational modeling of degradation in absorbable metals. Chapter 2 discusses the first step of the PhD project which was a study on the mechanical properties of the electroplated open-cell iron foams with hollow struts. In this study, samples of iron foams with different architectural properties, i.e. cell size, branch-strut thickness and pore size, underwent mechanical compression tests and the role of their architectural parameters as well as their relative density in their different compressive response (quasi-elastic gradient, yield and compressive strength) was discussed. In addition, finite element modeling of Kelvin foams was developed to provide a better understanding of the strut hollowness effects on the foam mechanical properties. The chapter covers an introduction, the methodology, results, discussion, and a concluding section. Chapter 3 discusses the post-corrosion mechanical properties and architectural configurations of the iron foams with hollow struts. The iron foam samples underwent immersion tests in a Hanks' solution up to 14 days which were followed by cleaning and mechanical compression tests. The factors influencing the corroded foam mechanical properties were explored, i.e. structural degradation, adherent corrosion products and micro-architectural changes on the strut level. micro-computed tomography was employed to measure architectural parameters of the control and the 14-day corroded foams. Based on the architectural measurements, Kelvin foam finite element models were developed to predict the mechanical response of the corroded foams. Also, a new Kelvin foam model was developed to predict the mechanical response of the corroded iron foams under homogeneous corrosion, the corrosion mechanism which had not been observed in the experiments. Finally, the most important highlights of the studies are presented in the Conclusion section. Also, the limitations and the potential benefits of the results of this project for the future research works is explained, and new ideas for the future projects concerning the mechanical behavior of absorbable metal foams is proposed.

Le thuya occidental (Thuja occidentalis L.) connait depuis plusieurs décennies un déclin sur une grande partie de son aire de répartition. Ce déclin a principalement été associé à deux causes: une sylviculture maladaptée favorisant ses espèces compagnes, et une forte pression de broutement, le thuya étant une source de nourriture et d'abris importante pour la survie hivernale du cerf de Virginie (Odocoileus virginianus Zimmerman). Le thuya est généralement avantagé par l'avènement de perturbations mineures ouvrant la canopée, et on recommande donc l'application de coupes partielles pour favoriser sa régénération. Ce portrait se complique en présence de cerf, qui limite ou élimine bien souvent la régénération de thuya. L'objectif de cette thèse était donc de développer les connaissances sur les impacts du cerf sur la dynamique de régénération du thuya le long de gradients multiples. Pour ce faire, j'ai étudié 1) la réaction du thuya à diverses conditions de broutement simulé, et les effets du cerf sur la régénération de thuya 2) après coupes partielles et 3) après formation de trouées naturelles. Mes résultats ont d'abord montré une capacité de compensation aérienne du thuya après broutement simulé, témoignant de son potentiel de recrutement vers des hauteurs supérieures malgré des événements de broutement. Ils soulignent aussi la meilleure croissance et la meilleure réaction au broutement du thuya en conditions de lumière partielle qu'en conditions de pleine lumière, ainsi qu'un effet positif des coupes partielles et de la formation de trouées sur l'abondance de la régénération de thuya. De plus, après coupe partielle, l'abondance de thuya était positivement corrélée avec une augmentation de la compétition; la croissance de la régénération de thuya était quant à elle affectée positivement par l'ouverture de la canopée. Ces résultats confirment la pertinence d'appliquer des traitements de coupes partielles pour favoriser la régénération de thuya. J'ai cependant remarqué un effet considérable du broutement par le cerf. Dans le cas des trouées naturelles, les fortes pressions de broutement limitaient ou éliminaient la régénération du thuya, bien que le déclin du cerf ait permis un retour rapide de la régénération. Dans le cas des coupes partielles, le broutement semblait affecter négativement l'abondance de thuya, mais avoir un effet négligeable sur la croissance et la survie des thuyas présents. Ces résultats soulignent la capacité du thuya de se remettre d'événements de broutement. Ils confirment par contre aussi que le thuya reste vulnérable même lorsque la pression de broutement est faible à cause de la forte sélection dont il est la cible, et que l'effet positif des coupes partielles sur la régénération ne garantit pas le recrutement en présence de compétition. Deux défis, d'ailleurs interreliés, ressortent ainsi dans l'étude des effets du broutement sur la régénération. D'abord, les multiples échelles spatiales et temporelles sont difficiles à réconcilier dans des systèmes complexes, notamment avec perturbations partielles et présence de cerf. Finalement, une tige disparue ne peut être mesurée; on ne peut donc évaluer des variables comme la croissance et la survie que sur les tiges n'ayant pas été éliminées par le broutement, ce qui pourrait apporter un biais considérable pour des espèces fortement sélectionnées comme le thuya. / Northern white cedar (Thuja occidentalis L.) has been declining for decades on most of its range. This decline has mostly been associated with two causes: maladapted silviculture favoring companion species, and heavy browsing pressure, cedar being an important source of food and cover for the winter survival of white-tailed deer (Odocoileus virginianus Zimmerman). Cedar is generally favored by minor disturances that open the canopy, and partial cuts are therefore recommended to increase its regeneration. This picture is however complicated when deer is present, as it limits or eliminates cedar regeneration. The objective of this thesis therefore was to develop knowledge on the impacts of deer on cedar regeneration dynamics along multiple gradients. To achieve this, I subdivided my thesis into three chapters that allowed me to study: 1) the reaction of cedar to various simulated browsing conditions, and the effects of deer browsing on tall cedar regeneration 2) following partial cuts and 3) following natural gap formation. My results show that following simulated browsing, cedar can compensate aboveground both in height and lateral biomass, showing the potential for cedar to be recruited to taller heights regardless of past browsing events. I also confirmed the preference that cedar regeneration has for partial light conditions rather than full light conditions, as well as a positive effect of partial cuts and gap formation on the abondance of cedar regeneration. I also determined that following partial cuts, cedar regeneration abundance is positively correlated with competition, and that cedar seedling growth is positively affected in zones opened by harvesting. These results confirm the relevance of applying partial cut treatments to favor cedar regeneration. I however noticed a considerable effect of deer browsing. In the case of gap formation, high deer browsing pressure limited or eliminated cedar regeneration, but a decline in deer populations allowed cedar regeneration to return rapidly. In the case of partial cuts, browsing affected cedar abundance negatively but seemingly had a negligible effect on growth and survival of existing cedars. These results underline the capacity for cedar to recover from browsing events but confirm that due to the high selection of which it is the target, cedar remains vulnerable even when browsing pressure is low. Two major challenges remain when studying the effect of browsing on tree regeneration. First, the various spatial and temporal scales are hard to reconcile in complex systems, notably with partial disturbances and in presence of deer. Finally, only existing stems can be measured; we can only use metrics such as growth and survival on stems that have not been eliminated via browsing, which could create a considerable bias for highly browse-selected species such as cedar.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / La peau est un organe densément innervé et vascularisé. L’établissement du réseau nerveux dépend de la sécrétion de signaux diffusibles dans la peau qui instruisent à distance certains neurones de s’y arboriser. Ces signaux sont les facteurs neurotrophiques. L’établissement du réseau vasculaire dépend aussi de la présence de signaux instructifs. Notre objectif général était de mieux comprendre l’influence des signaux neurotrophiques et aussi nerveux dans le contexte cutané. Les travaux présentés dans cette thèse décrivent de nouvelles interactions paracrines. Alors que certaines de ces interactions depuis la peau vers les neurones sensoriels et certaines depuis les neurones sensoriels vers le réseau vasculaire pour la vasodilatation sont déjà établies, nous décrivons l’influence des facteurs neurotrophiques sur le réseau vasculaire et l’influence des neurones sensoriels sur la réépithélialisation. Nous avons premièrement émis l’hypothèse qu’en plus d’influencer les neurones, les facteurs neurotrophiques influencent le réseau vasculaire. Nous montrons que le NGF, le BDNF, le NT-3 et le GDNF sont tous exprimés dans l'épiderme, que le NGF et le NT-3 sont exprimés par les fibroblastes et que le BDNF est produit par les cellules endothéliales. Les cellules de Schwann, également retrouvées dans la peau, produisent du NGF, BDNF et GDNF. Nous montrons que ces peptides sont de très puissants facteurs angiogéniques en utilisant un modèle de derme endothélialisé humain reconstruit par génie tissulaire. Une augmentation de 40 à 80 % du nombre de pseudocapillaires fut observée après l'addition de 10 ng/ml de NGF, 0,1 ng/ml de BDNF, 15 ng/ml de NT-3, et 50 ng/ml de GDNF. Cet effet angiogénique dépend de la liaison aux récepteurs de facteurs neurotrophiques TrkA, TrkB, GFRa-1 et c-ret, qui sont tous exprimés par les cellules endothéliales humaines. Cet effet a été bloqué pour les récepteurs Trk par l’addition de l'inhibiteur compétitif K252a. Ensuite, nous avons dans un deuxième temps émis l’hypothèse que les neurones sensoriels influencent directement la réépithélialisation. Pour vérifier cela, nous avons développé un nouveau modèle de réépithélialisation par génie tissulaire. Il est constitué d’un équivalent épidermique troué exprimant une protéine fluorescente verte qui a été empilé sur un équivalent dermique servant de substrat pour l’épiderme qui referme alors naturellement la plaie. L’équivalent est endothélialisé et innervé ou non par les neurones sensoriels de souris. Nous avons observé que la réépithélialisation est plus rapide en présence de neurones sensoriels. Nous avons démontré que les neurones sensoriels sécrètent une petite protéine dans notre modèle, soit de la substance P, et que les kératinocytes expriment le récepteur cellulaire NK1 de la substance P. Enfin, nous montrons que la substance P contribue à augmenter la vitesse de fermeture des plaies induites par les neurones à l'aide d’un agoniste et d’un antagoniste du récepteur NK1. L'ensemble des résultats procure une meilleure compréhension de l’importance des contextes neurotrophiques et nerveux dans la peau. Nos résultats pourraient laisser présager que d’améliorer la régénération nerveuse cutanée lorsqu’elle est déficiente améliorerait aussi l’homéostasie du tissu cutané. / The skin is an organ densely innervated and vascularized. The establishment of the cutaneous nervous system depends on the secretion of neurotrophic factors by the skin. Meanwhile, the establishment of the vascular network also depends on soluble instructive cues. The work presented in this thesis describes new paracrine interactions. While interactions from skin to sensory neurons for the development of innervation and interactions from sensory neurons to blood vessel for vasodilation of the vasculature are described elsewhere, we demonstrate here the influence of neurotrophic factors on the vascular network and the influence of sensory neurons on the reepithelialization of wounds. Our overall goal was to clarify the influence of the neurotrophic and nervous contexts on the homeostasis of the skin. First, we hypothesized that in addition to their neuronal contribution, neurotrophic factors also influence the vascular network. We show that NGF, BDNF, NT-3 and GDNF are expressed in the epidermis, while NGF and NT-3 are expressed by fibroblasts and BDNF by endothelial cells. Finally, Schwann cells produce NGF, BDNF and GDNF. We show that these peptides are very potent angiogenic factors using a model of human endothelialized reconstructed dermis by tissue engineering. An increase of 40 to 80% of the number of capillary-like tubes was observed after the addition of 10 ng/ml NGF, 0.1 ng/ml of BDNF, 15 ng/ml of NT-3, and 50 ng/ml of GDNF. This angiogenic effect depends on the neurotrophic factor receptor TrkA, TrkB, GFRa-1 and c-ret that are all expressed by human endothelial cells. This effect was blocked by adding the Trk inhibitor K252a for NGF, BDNF and NT-3. Second, we hypothesized that sensory neurons directly influence reepithelialization by secreting the neuropeptide substance P. To verify this, we developed a new model of reepithelialization. It consists of a perforated epidermal equivalent expressing a green fluorescent protein stacked on a dermal equivalent that is used as a bed for reepithelialization. The reconstructed skin is endothelialized and innervated or not with sensory neurons of mouse. Sensory neurons produce substance P in the model and keratinocytes express the NK1 cell receptor for substance P. Keratinocyte migration was quantified by fluorescence. Reepithelialization was faster in presence of sensory neurons and we show that substance P contributes to this effect with agonist and antagonist of the NK1 cell receptor. The overall results provide a better understanding of the importance of the neurotrophic and sensory contexts in the skin. Thus, cutaneous innervation does not only contribute to the sensory detection. Our findings may suggest that improving nerve regeneration would improve skin long term tissue homeostasis.