Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'insuffisance aortique (IA) chronique est une pathologie valvulaire occasionnant une surcharge de volume (SV) pathologique dans le ventricule gauche (VG) au cours de la diastole. Cette surcharge est conséquente de la perte d'étanchéité de la valve aortique qui laisse régurgiter anormalement du sang de l'aorte vers le VG. En réponse à la SV auquel il est contraint, le VG enclenche différents mécanismes compensatoires en vue de conserver une fonction cardiaque normale et adaptée. Ces mécanismes s'avèrent toutefois néfastes à long terme puisqu'ils favorisent la progression vers l'insuffisance cardiaque (IC). La prise en charge clinique des patients ayant une IA chronique modérée à sévère est actuellement controversée. En effet, aucune recommandation de classe A (bienfaits reconnus) n'est disponible chez ces patients. En marge de la médication, les effets chroniques de l'exercice physique en endurance (EPE) sur le remodelage et la fonction ventriculaire gauche de patients IA n'ont jamais été étudiés. Les cardiologues doivent donc user de leur jugement clinique pour permettre ou proscrire l'EPE à leur patient IA. Les craintes associées à l'EPE sont d'une part d'imposer une charge de travail trop importante sur le coeur à l'effort. D'autre part, puisque l'EPE occasionne une SV physiologique en augmentant le volume plasmatique, la question qui se pose est la suivante : est-ce que le VG de patients IA est en mesure de gérer une double SV et tirer profits des bienfaits cardiovasculaires engendrés par l'exercice ou, au contraire, est-ce lui imposer une charge de travail trop importante qui accélérerait la progression de la pathologie vers 1TC ? L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les effets cardiovasculaires de l'EPE ainsi que de sa sécurité en condition d'IA. Mes travaux ont démontré, chez des rats IA chroniques et sévères, que l'EPE augmente leur survie à neuf mois par rapport à des rats IA sédentaires. Ce gain de survie est principalement associé à la préservation d'une meilleure fonction diastolique du VG. Elle s'accompagne également d'un métabolisme oxydatif cardiaque plus efficace et d'une meilleure balance entre les systèmes sympathique et parasympathique. Bref, ces résultats laissent croire que des patients IA soumis à un programme adapté d'EPE augmenteraient leur qualité ainsi que leur durée de vie.

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une pathologie affectant les artères pulmonaires de petit calibre entraînant une augmentation des résistances artérielles pulmonaires aboutissant à une défaillance cardiaque droite. La vasoconstriction, le remodelage des artères pulmonaires distales, l’inflammation et le stress oxydant sont de facteurs clés de la pathogénèse de l'HTAP. Nous avons testé les potentiels de la formulation EPA:DHA 6:1 à prévenir l’hypertension pulmonaire et les altérations cardiovasculaires et pulmonaires induites par l’injection de monocrotaline chez le rat. Le traitement des rats monocrotaline avec l’EPA:DHA 6:1 (500 mg/kg/j, p.o) prévient significativement l’élévation de la pression artérielle pulmonaire moyenne, la pression systolique du ventricule droit, diminue le débit cardiaque, l’hypertrophie et la dilatation du ventricule droit. L’EPA:DHA 6:1 réduit également les résistances vasculaires pulmonaires, le remodelage des artérioles pulmonaires et les infiltrations lymphocytaires et macrophagiques. De plus, l’EPA:DHA 6:1 inhibe la production des espèces réactives de l’oxygène, diminue la surexpression des sous-unités p22phox et p47phox de la NADPH oxydase, des cyclooxygénases 1 et 2, des récepteurs ETA et ETB de l’endothéline-1, de la eNOS découplée et améliore la dysfonction endothéliale des artères pulmonaires. L’EPA:DHA 6:1 exercent des effets anti-inflammatoires, antioxydants et vasoprotecteurs et prévient le développement de l’HTAP induite par l’injection de monocrotaline chez le rat. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is characterized by remodeling of the small pulmonary arteries leading to a progressive increase in pulmonary vascular resistance and right ventricular failure. Pulmonary endothelial dysfunction, inflammation and oxidative stress promote the development of pulmonary hypertension. Omega-3 polyunsaturated fatty acids such as eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acids (DHA) have been shown to protect the cardiovascular system and reduce inflammation and oxidative stress. The present study evaluate the potential of EPA:DHA 6:1 to prevent monocrotaline-induced PAH in rats. EPA:DHA 6:1 treatment (500 mg/kg/d, p.o) prevented the MCT-induced mean pulmonary arterial pressure, right ventricular systolic pressure and decreased cardiac output. EPA:DHA 6:1 also attenuated right ventricular hypertrophy by reducing Fulton’s index and pulmonary arterial remodeling, decreased lymphocytes T and macrophages infiltration. EPA:DHA 6:1 treatment significantly reduced MCT-induced vascular oxidative stress and improved endothelial function in pulmonary arteries. The protective effect of EPA:DHA 6:1 was associated with the prevention of the MCT-induced upregulation of NADPH oxidase subunits (p22phox and p47phox), COX-1 and COX-2, endothelin A and B receptors and uncoupled eNOS in pulmonary arterioles. Our studies show that the EPA:DHA 6:1 formulation exerts anti-inflammatory, anti-oxidant and has a protective vascular effect in the pulmonary arteries, which may contribute to prevent and potentially cure pulmonary hypertension induced by MCT in rat.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a group of diseases characterized by avascular obstruction leading to a progressive increase of the resistances in the pulmonary blood flow. The recent progress in the understanding of mechanisms at the origin of this disease underlines the role of extrapulmonary cells, such as circulating stem cells and bone marrow-derived progenitor cells in vascular remodeling and in PAH development. In this thesis we have shown implication of the progenitor cells and chemotactic axis in the vascular remodeling in human and experimental PAH. This work could help to develop new therapies allowing more specific and more effective treatments leading to improved survival of PAH patients.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le remodelage osseux est un processus qui permet le renouvellement du tissu osseux tout au long de la vie des individus (Toppets et al. 2004). Il est bien connu que le remodelage est influencé à la fois par l’environnement mécanique (charges, activités) et par les besoins métaboliques (Pearson et Lieberman 2004; Rosas et Martinez-Maza 2010). Cependant, les effets des charges mécaniques sur le remodelage osseux restent encore peu compris (Lad and al. 2016; Pfeiffer and al 2006). Cette étude a pour but d’évaluer les réponses microscopiques des os aux charges mécaniques. L’échantillon étudié correspond à des paires de seconds métacarpes, issues de deux populations d’origine géographique distinctes (n=103, 55 Euro-Canadiens et 48 Inuits). À partir de section en coupe provenant de la mi-diaphyse, les lames minces ont été analysées selon quatre quadrants anatomiques : antérieur, médial, postérieur et latéral. Afin de contrôler les facteurs non mécaniques qui influencent le remodelage (tels l’âge) l’asymétrie entre les paires des métacarpes est calculée pour toutes les variables étudiées. Les charges sont estimées par les valeurs d’asymétrie de trois variables biomécaniques macroscopiques : Imax, Imin et J. Les asymétries de la densité de population des ostéons (OPD), de l’aire moyenne des ostéons et des canaux de Havers furent calculées pour estimer la réponse osseuse microscopique. De plus, il fut testé l’effet de la densité de population des ostéons sur leur aire moyenne. Les résultats démontrent que la densité d’ostéons diminue pour certains groupes (chez les hommes de St Thomas, r = - 0,412 et les femmes Inuits r = -0,547), et que les aires moyennes des ostéons et des canaux de Havers augmentent dans le quadrant antérieur du métacarpe le plus chargé (chez St-Thomas r = 0,297). De plus, il existe une relation négative entre l’augmentation de la densité d’ostéons et leur aire moyenne, dans le quadrant postérieur des femmes de St Thomas (r = -0,496). En conclusion, les charges mécaniques ont un impact sur la microstructure de l’os, rendant possible l’étude des charges à travers l’analyse histomorphologique du tissu osseux. / Bone remodeling is the process by which the skeleton can be renewed throughout the life of individuals (Toppets and al. 2004). It is well known that bone remodeling is a function of both mechanical (loads, activities) and non-mechanical factors such as metabolic needs of the bone (Pierson and Lieberman 2004; Rosas and Martinez-Maza 2010). However, the effects of mechanical environment on bone remodeling still remain poorly understood (Lad and al. 2016; Pfeiffer and al. 2006). This study aims to evaluate the microscopic bone responses to mechanical loading. The sample analyzed represents pairs of second metacarpal from two genetically separated populations (n=103, 55 Euro-Canadiens and 48 Inuits). From mid-shaft sections, thin sections were analyzed using four anatomical quadrants: anterior, medial, posterior and lateral. In order to control the influence of non-mechanical factors on bone remodeling, the asymmetry between pairs of metacarpals is calculated for each variable studied. Mechanical loading is estimated from the asymmetry values of three macroscopic biomechanical variables: Imax, Imin and J. Besides, asymmetries of osteon population density (OPD), mean areas of osteons and Havers canals were measured to estimate the microscopic bone response. Furthermore, it was tested the effect of osteon population density on osteon area. Results show that osteon population density decreases in some groups (in St-Thomas men r = - 0,412 and Inuit women r = -0,547), and the mean area of osteon and Havers canals increase in the more loaded side (in St-Thomas r = 0,297). In addition, there is a negative relationship between increased density of osteons and their mean areas in the posterior quadrant in St-Thomas women (r = -0,496). In conclusion, mechanical loading seems to have an impact on bone microstructure, making possible the inference of mechanical loadings through the study of bone histomorphology.

Cette étude teste l’hypothèse que le remodelage osseux dans le deuxième métacarpe peut être utilisé pour estimer l’âge à la mort. Les métacarpes utilisés dans cette analyse proviennent d’un cimetière d’Ontario, incluant des individus d’origine européenne (n=63; 34 hommes; 29 femmes). Leur âge varie de 19 à 61 ans (moyenne: 41,1±11,6). L’âge était connu ou a été estimé indépendamment à partir de la morphologie générale du squelette. À partir de lames minces coupées à la mi-diaphyse, la densité de population des ostéons (OPD; ostéons/mm2 intacts et fragmentaires) a été calculée pour huit colonnes du périoste à l’endoste, deux par quadrant anatomique. Les régressions par calibration classique ont produit une série d’équation pour les estimations de l’âge pour chaque sexe, sexes combinés, et en fonction de la latéralité. La méthode utilisée diminue l’efficacité des estimations mais elle a l’avantage de réduire les biais. Quand les sexes sont combinés, l’OPD est corrélé modérément mais significativement avec l’âge (droit r2= 0,35; gauche r2=0,28). Cependant, quand les hommes et les femmes sont analysés séparément, la corrélation entre l’OPD et l’âge dans l’échantillon féminin est meilleure (droit r2=0,48; gauche r2=0,39) alors que celle des hommes est réduite (droit r2=0,29; gauche r2=0,22). Ce résultat a déjà été observé dans d’autres études, mais n’est pas expliqué. Les résultats démontrent aussi une meilleure corrélation entre l’OPD et l’âge du côté droit que du côté gauche. Tous les résultats présentés ici supportent l’hypothèse que l’OPD du métacarpe est corrélé avec l’âge effectif (c’est-à-dire connu ou estimé), les régressions de l’OPD sur l’âge (droit-gauche combinés ou séparés, sexes combinés ou séparés) étant toutes significatives. / This preliminary study tests the hypothesis that evidence of bone remodeling in the second metacarpal can be used to estimate age at death. The metacarpals used in this analysis originated from an historic European sample from Ontario, Canada (n=63, 34 males and 29 females). They range in age from 19 to 61 years (mean=41.1±11.6). Age was known or independently estimated from gross morphology. For each right and left second metacarpal, Osteon Population Density (OPD; intact and fragmentary osteons/mm2) was recorded on four quadrants (anterior, posterior, medial, lateral), sampling two periosteal to endosteal columns separated by one column width. Classical calibration analysis produced a series of equations for estimates of age for each sex, sexes combined, and according to laterality. The method reduces the efficiency of estimates but has the advantage of reducing bias. When the sexes were combined, OPD correlated moderately but significantly with age (right r2=0.35, left r2= 0.28). However, when males and females were analyzed separately, the correlation between OPD and age in the female sample was improved (right r2=0.48, left r2=0.39) while the correlation in males was reduced (right r2=0.29, left r2=0.22). It remains unclear why the correlation is better in females than males, but similar results have been obtained in other studies. These results also indicate that there is a better correlation between OPD and age in the right second metacarpal than in the left. The results presented here support the hypothesis that the OPD of the metacarpal is correlated with chronological age (known or estimated) as all regressions of the OPD on age (right-left combined and separate, sexes combined and separated) are significant.

Les maladies à expansion de triplets nucléotidiques situés dans la région codante, telles que la maladie de Huntington, sont des maladies où les gènes en questions possèdent un nombre de répétitions trinucléotidiques anormalement élevé et inversement corrélé avec l'âge d‟apparition des symptômes. Plusieurs de ces maladies démontrent une anticipation paternelle, où un ajout de répétitions trinucléotidiques a lieu pendant la spermiogenèse, mais les étapes et les mécanismes impliqués sont encore mal compris. Or, la spermiogenèse est caractérisée par un remodelage drastique de la chromatine, où les histones sont ultimement remplacées par les protamines afin de compacter et protéger davantage le matériel génétique. Cette transition implique aussi un changement topologique majeur qui mène à une accumulation de superenroulement négatif qui est éliminé par la topoisomérase 2[beta]. Pour identifier les étapes précises où l'extension trinucléotidique a lieu, j'ai développé une stratégie de séparation des spermatides en utilisant la cytométrie en flux, ce qui m'a permis d'obtenir quatre populations, soit les spermatides aux étapes 1 à 9, 10 à 12, 13-14 et 15-16. J'ai appliqué cette stratégie sur un modèle de souris transgéniques pour la maladie de Huntington, ce qui a permis de démontrer par PCR que l'extension trinucléotidique des répétitions CAG a lieu à la fin du remodelage de la chromatine, soit à l'étape 14. Afin d‟élucider le mécanisme d‟extension trinucléotidique, j'ai utilisé une stratégie in vitro, basée sur l'incubation d‟extraits nucléaires actifs de spermatides avec un plasmide contenant des répétitions CAG. Cette stratégie a démontré que le superenroulement négatif libre, tel que retrouvé pendant le remodelage de la chromatine, est capable d'induire des structures secondaires dans les répétitions CAG, ce qui entraîne une cascade d‟événements menant à l'extension trinucléotidique. J'ai validé ce processus en inhibant aussi les topoisomérases de type 2 qui sont responsables d'éliminer le superenroulement. Finalement, j‟ai démontré que la protamination de l‟ADN, telle qu'observée dans les spermatides, accentue l'accumulation de stress torsionnel aux répétitions CAG, ce qui favorise leur extension. Mes travaux sur le stress torsionnel lors de la protamination suggèrent une nouvelle source potentielle d'instabilité trinucléotidique, nécessitant une caractérisation additionnelle. Cette source d'instabilité, qui est spécifique au mâle, jouerait un rôle majeur dans l'anticipation paternelle des maladies trinucléotiditiques. / Abstract : Trinucleotidic diseases, such as the Huntington disease, are genetic diseases characterized by abnormally long trinucleotidic repeats within a specific gene, which are inversely correlated with the age of onset of symptoms when within exons. Many trinucleotidic diseases display paternal anticipation, where trinucleotidic repeats are added during spermiogenesis, without any details on the mechanism or the steps involved. Interestingly, spermiogenesis is characterized by a drastic chromatin remodeling, where histones are ultimately replaced by protamines in order to achieve greater compaction and protection of DNA. This transition also involves major topological changes, where accumulation of negative supercoils are eliminated by the topoisomerase 2[beta]. In order to identify the specific steps where trinucleotidic extension occurs, I have developed a strategy to separate spermatids from mice, using flow cytrometry. This allowed me to purify four distinct spermatids population, consisting of steps 1-9, 10-12, 13-14 and 15-16 spermatids. The sorting strategy was used on a transgenic mouse model of the Huntington disease, which allowed me to determine, using PCR, that CAG extension occurs at the end of chromatin remodeling, more specifically at step 14. The mechanism of extension was investigated using an in vitro approach, based on the incubation of active nuclear extracts from spermatids with a plasmid containing CAG repeats. Using this strategy, I showed that free negative supercoils, as observed during chromatin remodeling, may lead to secondary structures, and more specifically hairpins in trinucleotidic repeats, which ultimately result in trinucleotidic extension. This hypothesis was validated by inhibiting enzymes such as type 2 topoisomerases, since they are responsible for negative supercoils removal. Moreover, I showed that DNA protamination, as observed in spermatids, may increase torsional stress at CAG repeats and leads to expansion. In conclusion, this work suggest that torsional stress induced by protamination of DNA could be a new potential source of trinucleotidic instability. Moreover, this male specific source of trinucleotidic instability could play a major role in paternal anticipation of trinucleotidic diseases.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans les années 20, Otto Warburg émit l’hypothèse que l’altération des mitochondries est la cause du développement du cancer bien qu’il reconnaissait l’existence de tumeurs oxydatives. Egalement, Weinhouse (1950) parmi d’autres, a établi qu’une respiration mitochondriale défectueuse n’était pas une caractéristique systématique du cancer et Peter Vaupel a suggéré dans les années 90 que l’oxygénation de la tumeur était le facteur limitant de la production énergétique de la mitochondrie dans le cancer plutôt que la capacité mitochondriale elle-même. Cette thèse ainsi que des études récentes montrent clairement que les mitochondries sont fonctionnelles dans les tumeurs et la discipline d’oncobioénergétique a identifié Myc, Src, Oct1 et Ras comme des oncogènes pro-OXPHOS. De plus, l’adaptation des cellules cancéreuses à l’aglycémie, la symbiose métabolique entre les régions hypoxiques et normoxiques des tumeurs ainsi que l’hypothèse de Reverse Warburg effect supportent le rôle crucial des mitochondries dans la survie d’un groupe de tumeurs. Par conséquent, les mitochondries sont maintenant considérées come des cibles potentielles pour la thérapie anti-cancéreuse et des tentatives incluant la modulation bioénergétique pourraient être considéré pour tuer les cellules cancéreuses. Nous montrons l’effet anti-cancéreux de deux modulateurs mitochondriaux et disséquons leur mécanisme d’action. / In the 1920s, Otto Warburg first hypothesized that mitochondrial impairment is a leading cause of cancer although he recognized the existence of oxidative tumors. Likewise, Weinhouse (1950) and others found that deficient mitochondrial respiration is not an obligatory feature of cancer and Peter Vaupel suggested in the 90s that tumor oxygenation rather than OXPHOS capacity was the limiting factor of mitochondrial energy production in cancer. This thesis and recent studies now clearly indicate that mitochondria are highly functional in tumors and the field of oncobioenergetic identified Myc, Src, Oct1 and RAS as pro-OXPHOS oncogenes. In addition, cancer cells adaptation to aglycemia, metabolic symbiosis between hypoxic and non-hypoxic tumor regions as well the reverse Warburg hypothesis support the crucial role of mitochondria in the survival of a subclass of tumors. Therefore, mitochondria are now considered as potential targets for anti-cancer therapy and tentative strategies including a bioenergetic profile characterization of the tumor and the subsequent adapted bioenergetic modulation could be considered for cancer killing. We show anti-cancer effects of two mitochondrial modulators and dissect their mechanism of action.