In den letzten Jahren gab es Fortschritte im Verständnis der Gefäßbildung bei Ereignissen wie Keimen, Lumenbildung und Gefäßstabilisierung. Nach der Bildung eines primitiven Plexus ist die Gefäßoptimierung und hierarchische Umwandlung der morphologischen Gefäße in einen reifen Plexus durch vaskuläres "Pruning" wenig verstanden. Unterschiedliche Blutflussprofile in nebeneinander angeordneten Gefäßen können Asymmetrien in der Scherspannung verursachen, was die Zellmigration in Bereichen mit höherem Fluss fördert und die Destabilisierung von Segmenten mit geringem Fluss induziert. Diese Studie basiert auf der Hypothese, dass funktionelle Gefäßnetzwerke und Umbildung durch flussgesteuerte Endothelzellmigration ausgelöst werden. Wie die zelluläre Erfassung physikalischer Kräfte integriert ist, um Informationen zu übertragen und das Verhalten von Zellen zu modifizieren, ist noch unbekannt. Die Studie untersucht die Regulation und Koordination durch RhoGTPase-Signale während der kollektiven endothelialen Migration aufgrund von Flüssigkeitskräften. RhoGTPasen ermöglichen die räumlich-zeitliche Koordination, langfristige Anpassung an den Fluss und morphologische Umgestaltung. Beeinträchtigungen von RhoGTPasen zeigen Defekte bei Zellmigration und kollektiver Koordination in Umgebungen mit freiem Rand und strömungsgetriebener Migration. Die Studie erläutert den Einfluss der RhoGTPase-Regulation der Verbindungsdynamik in Verbindung mit der Aktinorganisation, die für die mechanische Kopplung und endotheliale Reaktionsfähigkeit erforderlich ist. Insgesamt betont die Studie die Relevanz der räumlich-zeitlichen RhoGTPase-Kontrolle und der Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Strömung und Migration für die kollektive Koordination als Reaktion auf hämodynamische Kräfte. / In recent years, there have been significant advances in understanding how new vessels form during events like sprouting, lumen formation, and vessel stabilization. Yet, after the formation of a basic network, the crucial step of rearranging vessels into a mature structure, known as vascular pruning, needs further investigation. It's suggested that different blood flow profiles in nearby vessels create imbalances in shear stress, leading to cell migration toward higher flow regions, destabilizing low-flow segments, and causing the collapse of redundant segments. This study, in line with existing literature, proposes that functional vascular networks and remodeling result from the flow-driven migration of endothelial cells. However, how cells precisely sense physical forces to regulate their behavior and coordinate migration in response to flow remains unknown. I explore the regulation and coordination of Rho GTPases during collective endothelial migration under fluid forces. Rho GTPases' coordination allows long-term adaptation to flow and morphological remodeling. Impairments in Rho GTPases reveal defects in cell migration and collective coordination during free-edge and flow-driven migration. Finally, I explain how Rho GTPases' regulation influences junctional dynamics and actin organization, crucial for mechanical coupling and endothelial responsiveness to flow. Overall, this study emphasizes the importance of controlling Rho GTPases over time and maintaining mechanical coupling between flow and migration for collective coordination in response to fluid forces.

La placentation humaine est de type hémomonochoriale, le sang maternel est directement en contact avec le syncytiotrophoblaste. Les flux sanguins maternels, dans la chambre intervilleuse, exercent des forces mécaniques de cisaillement (shear stress) sur la surface microvillositaire du syncytiotrophoblaste. Les effets physiologiques du shear stress exercé par les flux sanguins sur l’endothélium vasculaire artériel et veineux ont fait l’objet de nombreux travaux scientifiques. En revanche, les effets biologiques du shear stress sur le syncytiotrophoblaste humain n’ont jamais été explorés. L’objectif de ce travail était premièrement d’évaluer les valeurs du shear stress exercé in vivo sur le syncytiotrophoblaste humain au cours des grossesses normales, puis de mettre au point un modèle de culture primaire dynamique afin de reproduire les conditions physiologique et d’étudier in vitro la réponse biologique du syncytiotrophoblaste au shear stress. En dépit d’un débit sanguin maternel intraplacentaire important, estimé entre 400 et 600 mL.min-1, le shear stress moyen exercée par le syncytiotrophoblaste est estimée entre 0.5±0.2 et 2.3±1.1 dyn.cm-2. Nos résultats montrent cependant que l’intensité du shear stress est très hétérogène tant à l’échelle de la chambre intervilleuse que de la villosité terminale. Nous avons développé un modèle de culture cellulaire dynamique en condition de flux adapté au syncytiotrophoblaste humain. Ce modèle permet d’appliquer un shear stress égal et constant sur toutes les cellules cultivées et reproductible à chaque culture primaire. Aux gammes de shear stress étudiées (1 dyn.cm-2), nous n’avons pas mis en évidence de diminution de la viabilité cellulaire ni de déclenchement des processus précoces d’apoptose en conditions dynamiques comparativement aux conditions statiques. Deux types de chambre de perfusion permettent d’étudier des réponses cellulaires au shear stress à court et long terme selon des temps d’exposition allant de 5 minutes à 24 heures. Ce modèle expérimental a permis de montrer que le syncytiotrophoblaste humain en culture primaire est mécanosensible. La réponse cellulaire à des niveaux de shear stress de 1 dyn.cm-2 est multiple selon les temps d’exposition et le niveau d’intégration étudié. Après 45 minutes de shear stress les taux d’AMP cyclique intracellulaires sont augmentés ce qui a pour effet d’activer la voie de signalisation intracellulaire PKA-CREB. Cette augmentation d’AMP cyclique est secondaire à la synthèse et la libération de prostaglandine E2 qui, par une boucle de régulation autocrine stimule l’adenylate cyclase. L’augmentation de la synthèse/libération de PGE2 est dépendante de l’augmentation rapide du calcium intracellulaire sous shear stress. L’exposition au shear stress de 24 heures stimule l’expression et la sécrétion du PlGF, un facteur de croissance indispensable à l’angiogenèse placentaire et pour l’adaptation maternelle à la grossesse sur le plan vasculaire. Nos travaux montrent que l’augmentation de l’AMPc intracellulaire et l’activation de la PKA contribuent à la phosphorylation de CREB, facteur de transcription régulant l’expression du PlGF. / Human placentation is hemomonochorial, maternal blood circulates in direct contact with the syncytiotrophoblast. In the intervillous space, the maternal blood exerts frictional mechanical forces (shear stress) on the microvillous surface of the syncytiotrophoblast. Flowing blood constantly exerts a shear stress, on the endothelial cells lining blood vessel walls, and the endothelial cells respond to shear stress by changing their morphology, function, and gene expression. The effects of shear stress on the human syncytiotrophoblast and its biological functions have never been studied. The objectives of this study were (1) to determine in silico the physiological values of shear stress exerted on human syncytiotrophoblast during normal pregnancies, (2) to develop a model reproducing in vitro the shear stress on human syncytiotrophoblast and (3) to study in vitro the biological response of human syncytiotrophoblast to shear stress. The 2D numerical simulations showed that the shear stress applied to the syncytiotrophoblast is highly heterogeneous in the intervillous space. In spite of high intraplacental maternal blood flow rates (400-600mL.min-1), the estimated average values of shear stress are relatively low (0.5±0.2 to 2.3±1.1 dyn.cm-2). To study the shear stress-induced cellular responses during exposure times ranging from 5 minutes to 24 hours we have developed two dynamic cell culture models adapted to the human syncytiotrophoblast. We found no evidence of decreased cell viability or early processes of apoptosis in dynamic conditions (1 dyn.cm-2, 24h) compared to static conditions. Shear stress (1 dyn.cm-2) triggers intracellular calcium flux, which increases the synthesis and release of PGE2. The enhanced intracellular cAMP in FSS conditions was blocked by COX1/COX2 inhibitors, suggesting that the increase in PGE2 production could activate the cAMP/PKA pathway in an autocrine/paracrine fashion. FSS activates the cAMP/PKA pathway leading to upregulation of PlGF in human STB. Shear stress-induced phosphorylation of CREB and upregulation of PlGF were prevented by inhibition of PKA with H89 (3 μM). The syncytiotrophoblast of the human placenta is a mechanosenstive tissue.

The mechanisms behind cardiovascular disease (CVD) initiation and progression are not fully elucidated. It is hypothesized that blood flow patterns regulate endothelial cell (EC) function to affect the progression of CVDs. A system that subjects ECs to physiologically-relevant shear stress waveforms within microfluidic devices has not yet been demonstrated, despite the advantages associated with the use of these devices. In this work, a bioreactor was designed to fulfill this need. Waveforms from regions commonly affected by CVDs including were derived. Pump motion and fluid flow profiles were validated by actuator motion tracking, particle image velocimetry, and flowmeters. While several relevant waveforms were successfully replicated, physiological waveforms could not be produced at physiological frequencies owing to actuator velocity and accuracy limitations, as well as dampening effects in the system. Overall, this work lays the foundation for designing a system that provides insight into the role of shear stress in CVD pathogenesis.

The mechanisms behind cardiovascular disease (CVD) initiation and progression are not fully elucidated. It is hypothesized that blood flow patterns regulate endothelial cell (EC) function to affect the progression of CVDs. A system that subjects ECs to physiologically-relevant shear stress waveforms within microfluidic devices has not yet been demonstrated, despite the advantages associated with the use of these devices. In this work, a bioreactor was designed to fulfill this need. Waveforms from regions commonly affected by CVDs including were derived. Pump motion and fluid flow profiles were validated by actuator motion tracking, particle image velocimetry, and flowmeters. While several relevant waveforms were successfully replicated, physiological waveforms could not be produced at physiological frequencies owing to actuator velocity and accuracy limitations, as well as dampening effects in the system. Overall, this work lays the foundation for designing a system that provides insight into the role of shear stress in CVD pathogenesis.

Convergent-Divergent (C-D) nozzles are used in rocket engines to produce thrust as a reaction to the acceleration of hot combustion chamber gases in the opposite direction. To maximize the engine performance at high altitudes, large area ratio, bell-shaped or contoured nozzles are used. At lower altitudes, the exit pressure of these nozzles is lower than the ambient pressure. During this over-expanded condition, the nozzle-internal flow adapts to the ambient pressure through an oblique shock. But the boundary layer inside the divergent portion of the nozzle is unable to withstand the pressure rise associated with the shock, and consequently flow separation is induced. Numerical simulation of separated flows in rocket nozzles is challenging because the existing turbulence models are unable to correctly predict shock-induced flow separation. The present thesis addresses this problem. Axisymmetric, steady-state, Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations of a conical nozzle and three sub-scale contoured nozzles were carried out to numerically predict flow separation in over-expanded rocket nozzles at different nozzle pressure ratios (NPR). The conical nozzle is the JPL 45◦-15◦ and the contoured nozzles are the VAC-S1, the DLR-PAR and the VAC-S6-short. The commercial CFD code ANSYS FLUENT 13 was first validated for simulation of separated cold gas flows in the VAC-S1 nozzle. Some modeling issues in the numerical simulations of flow separation in rocket nozzles were determined. It is recognized that compressibility correction, nozzle-lip thickness and upstream-extension of the external domain are the sources of uncertainty, besides turbulence modeling. In high-speed turbulent flows, compressibility is known to affect dissipation rate of turbulence kinetic energy. As a consequence, a reduction in the spreading rate of supersonic mixing layers occurs. Whereas, the standard turbulence models are developed and calibrated for incompressible flows and hence, do not account for this effect. ANSYS FLUENT uses the compressibility correction proposed by Wilcox [1] which modifies the turbulence dissipation terms based on turbulent Mach number. This, as shown in this thesis, may not be appropriate to the prediction of flow separation in rocket nozzles. Simulation results of the standard SST model, with and without the compressibility correction, are compared with the experimental data at NPR=22 for the DLR-PAR nozzle. Compressibility correction is found to cause under-prediction of separation location and hence its use in the prediction of flow separation is not recommended. In the literature, computational domains for the simulation of DLR subscale nozzles have thick nozzle-lips whereas for the VAC subscale nozzles they have no nozzle-lip. Effect of nozzle-lip thickness on flow separation is studied in the DLR-PAR nozzle by varying its nozzle-lip thickness. It is found that nozzle-lip thickness significantly influences both separation location and post-separation pressure recovery by means of the recirculation bubbles formed at the nozzle-lip. Usually, experimental values of free stream turbulence are unknown. So conventionally, to minimize solution dependence on the boundary conditions specified for the ambient flow, the computational domain external to the nozzle is extended in the upstream direction. Its effect on flow separation is studied in the DLR-PAR nozzle through simulations conducted with and without this domain extension. No considerable effect on separation location and pressure recovery is found. The two eddy-viscosity based turbulence models, Spalart-Allmaras (SA) model and Shear Stress Transport (SST) model, are well known to predict separation location better than other eddy-viscosity models, but with moderate success. Their performances, in terms of predicting separation location and post-separation wall pressure distribution, were compared with each other and evaluated against experimental data for the conical and two contoured nozzles. It is found that they fail to predict the separation location correctly, exhibiting sensitivity to the range of NPRs and to the type of nozzle. Depending on NPR, the SST model either under-predicts or over-predicts Free Shock Separation (FSS). Moreover, it also fails to capture Restricted Shock Separation (RSS). With compressibility correction, it under-predicts separation at all NPRs to a greater extent. Even though RSS is captured by using compressibility correction, the transition from FSS to RSS is over-predicted [2]. Early efforts by few researchers to improve predictions of nozzle flow separation by realizability corrections to turbulence models have not been successful, especially in terms of capturing both the separation types. Therefore, causes of turbulence modeling failure in predicting nozzle flow separation correctly were further investigated. It is learnt that limiting of the shear stress inside boundary layer, due to Bradshaw’s assumption, and over-prediction of jet spreading rate are the causes of SST model’s failure in predicting nozzle flow separation correctly. Based on this physical reasoning, values of the a 1 parameter and the two diffusion coefficients σk,2 and σω,2 were empirically modified to match the predicted wall pressure distributions with experimental data of the DLR-PAR and the VAC-S6-short nozzles. The results confirm that accurate prediction of flow separation in rocket nozzles indeed depends on the correct prediction of spreading rate of the supersonic separation-jet. It is demonstrated that accurate RANS simulation of flow separation in rocket nozzles over a wide range of NPRs is feasible by modified values of the diffusion coefficients in turbulence model.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.

Abdominal aortic aneurysm (AAA) is characterized by a bulge in the abdominal aorta. AAA development is mostly asymptomatic, but such a bulge may suddenly rupture, which is associated with a high mortality rate. Unfortunately, there is no medication that can prevent AAA from expanding or rupturing. Therefore, patients with detected AAA are monitored until treatment indication, such as maximum AAA diameter of 55 mm or expansion rate of 1 cm/year. Models of AAA development may help to understand the disease progression and to inform decision-making on a patient-specific basis. AAA growth and remodeling (G&amp;R) models are rather complex, and before the challenge is undertaken, sound clinical validation is required. In Paper A, an existing thick-walled model of growth and remodeling of one layer of an AAA slice has been extended to a two-layered model, which better reflects the layered structure of the vessel wall. A parameter study was performed to investigate the influence of mechanical properties and G&amp;R parameters of such a model on the aneurysm growth. In Paper B, the model from Paper A was extended to an organ level model of AAA growth. Furthermore, the model was incorporated into a Fluid-Solid-Growth (FSG) framework. A patient-specific geometry of the abdominal aorta is used to illustrate the model capabilities. In Paper C, the evolution of the patient-specific biomechanical characteristics of the AAA was investigated. Four patients with five to eight Computed Tomography-Angiography (CT-A) scans at different time points were analyzed. Several non-trivial statistical correlations were found between the analyzed parameters. In Paper D, the effect of different growth kinematics on AAA growth was investigated. The transverse isotropic in-thickness growth was the most suitable AAA growth assumption, while fully isotropic growth and transverse isotropic in-plane growth produced unrealistic results. In addition, modeling of the tissue volume change improved the wall thickness prediction, but still overestimated thinning of the wall during aneurysm expansion. / Bukaortaaneurysm (AAA) kännetecknas av en utbuktning hos aortaväggen i buken. Tillväxt av en AAA är oftast asymtomatisk, men en sådan utbuktning kan plö̈tsligt brista, vilket har hög dödlighet. Tyvärr finns det inga mediciner som kan förhindra AAA från att expandera eller brista. Patienter med upptä̈ckt AAA hålls därför under uppsikt tills operationskrav är uppnådda, såsom maximal AAA-diameter på 55 mm eller expansionstakt på 1 cm/år. Modeller för AAA-tillväxt kan bidra till att öka förståelsen för sjukdomsförloppet och till att förbättra beslutsunderlaget på en patientspecifik basis. AAA modeller för tillväxt och strukturförändring (G&amp;R) är ganska komplicerade och innan man tar sig an denna utmaning krävs de god klinisk validering. I Artikel A har en befintlig tjockväggig modell för tillväxt av ett skikt av en AAA-skiva utö̈kats till en två-skiktsmodell. Denna modell återspeglar bättre den skiktade strukturen hos kärlväggen. Genom en parameterstudie undersö̈ktes påverkan av mekaniska egenskaper och G&amp;R-parametrar hos en sådan modell för AAA-tillväxt. I Artikel B utvidgades modellen från Artikel A till en organnivå-modell för AAA-tillväxt. Vidare inkorporerades modellen i ett “Fluid–Solid–Growth” (FSG) ramverk. En patientspecifik geometri hos bukaortan användes för att illustrera möjligheterna med modellen. I Artikel C undersöktes utvecklingen av patientspecifika biomekaniska egenskaper hos AAA. Fyra patienter som skannats fem till åtta gånger med “Computed Tomography-Angiography” (CT-A) vid olika tillfällen analyserades. Flera icke triviala statistiska samband konstaterades mellan de analyserade parametrarna. I Artikel D undersöktes effekten av olika tillväxt-kinematik för AAA tillväxt. En modell med transversellt-isotrop-i-tjockleken-tillväxt var den bäst lämpade för AAA tillväxt, medans antagandet om fullt-isotrop-tillväxt och transversellt-isotrop-i-planet-tillväxt producerade orimliga resultat. Dessutom gav modellering av vävnadsvolymsförändring ett förbättrat väggtjockleks resultat men en fortsatt överskattning av väggförtunningen under AAA-expansionen. / <p>QC 20161201</p>

L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.