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La modélisation des phénomènes physiologiques induits par un écoulement, tels que l'écoulement sanguin au travers d'une sténose ou l'écoulement d'air lors de la production de parole, repose souvent sur des théories quasi-unidimensionnelles ou bi-dimensionnelles. Cependant, il est établi que le développement des couches limites dépend de la section transversale. Le but de cette thèse est de modéliser, simuler et caractériser l'importance potentielle de la section transversale sur les écoulements laminaires, contrôlés en pression, en l'absence ou en présence d'une constriction. Des coordonnées de translation sont utilisées pour obtenir des solutions pour des écoulement visqueux au travers d'une section de forme arbitraire. Cette paramétrisation est appliquée à la résolution des équations physiques pour des formes à deux et à trois dimensions. Un modèle d'écoulement simplifié quasi-tridimensionnel, qui prend en compte les pertes dissipatives par convection, la viscosité et la forme de la section est présenté et appliqué à la description de l'écoulement le long d'une sténose. Des données expérimentales et issues de simulations numériques sont collectées afin de caractériser l'influence de la forme de la section transversale dans le cas d'une constriction. simulation numérique sont comparées. / Physical models of physiological flow-induced phenomena, such as blood flow through a stenosis or air flow during human speech production, often rely on a quasi-one-dimensional or two-dimensional flow model, so that details of the cross section shape are neglected. Nevertheless, boundary layer development is known to depend on the cross section shape. The aim of this thesis is to model, simulate and characterize the potential impact of the cross section shape for pressure-driven laminar channel flow without and with constriction. Stretched coordinates are introduced to obtain viscous flow solutions for channels with an arbitrary cross section. The proposed cross section shape parametrization is applied to solve physical equations for two-dimensional and three-dimensional shapes. A simplified quasi-three-dimensional flow model, which accounts for kinetic losses, viscosity and the cross section shape, is presented and applied to describe the flow through a stenosis. Finally, flow data are gathered experimentally and numerically in order to characterize the influence of the cross section shape in the case of a constricted channel. Modeled, experimental and numerical data are compared.

Comprendre, prédire et finalement retarder la transition vers la turbulence dans les écoulements sont d'importants problèmes posés aux scientifiques depuis les travaux pionniers d'Osborne Reynolds en 1883. Ces questions ont été principalement adressées à l'aide de la théorie des instabilités hydrodynamiques. A cause des ressources informatiques limitées, les analyses de stabilité linéaire reposent essentiellement sur d'importantes hypothèses simplificatrices telles que celle d'un écoulement parallèle. Dans ce cadre, connu sous le nom de stabilité locale, seule la stabilité d'écoulement ayant un fort intérêt académique mais relativement peu d'applications pratiques a pu être étudiée. Néanmoins, au cours de la décennie passée, l'hypothèse d'écoulement parallèle a été relaxée au profit de celle d'un écoulement bidimensionnel conduisant alors à ce que l'on appelle la stabilité globale. Ce nouveau cadre permet alors d'étudier les mécanismes d'instabilité et de transition ayant lieu au sein d'écoulements plus réalistes. Plus particulièrement, la stabilité d'écoulements fortement non-parallèles pouvant présenter des décollements massifs, une caractéristique fréquente dans les écoulements d'intérêt industriel, peut maintenant être étudiée. De plus, avec l'accroissement constant des moyens de calcul et le développement de nouveaux algorithmes de recherche de valeurs propres itératifs, il est aujourd'hui possible d'étudier la stabilité d'écoulements pleinement tridimensionnels pour lesquels aucune hypothèse simplificatrice n'est alors nécessaire. Dans la continuité des travaux présentés par Bagheri et al. en 2008, le but de la présente thèse est de développer les outils nécessaires à l'analyse de la stabilité d'écoulements 3D. Trois écoulements ont été choisis afin d'illustrer les nouvelles capacités de compréhension apportées par l'analyse de la stabilité globale appliquée à des écoulements tridimensionnels réels : i) l'écoulement au sein d'une cavité entraînée 3D, ii) l'écoulement se développant dans un tuyau sténosé, et enfin iii) l'écoulement de couche limite se développant au passage d'une rugosité cylindrique montée sur une plaque plane. Chacun de ces écoulements a différentes applications pratiques allant d'un intérêt purement académique à une application biomédicale et aérodynamique. Ce choix d'écoulements nous permet également d'illustrer les différents aspects des outils développés au cours de cette thèse ainsi que les limitations qui leur sont inhérentes. / Understanding, predicting and eventually delaying transition to turbulence in fluid flows have been challenging issues for scientists ever since the pioneering work of Osborne Reynolds in 1883. These problems have mostly been addressed using the hydrodynamic linear stability theory. Yet, due to limited computational resources, linear stability analyses have essentially relied until recently on strong simplification hypotheses such as the “parallel flow” assumption. In this framework, known as “local stability theory”, only the stability of flows with strong academic interest but limited practical applications can be investigated. However, over the course of the past decade, simplification hypotheses have been relaxed from the “parallel flow” assumption to a two-dimensionality assumption of the flow resulting in what is now known as the “global stability theory”. This new framework allows one to investigate the instability and transition mechanisms taking place in more realistic flows. More particularly, the stability of strongly non-parallel flows exhibiting separation, a common feature of numerous flows of practical interest, can now be studied. Moreover, with the continuous increase of computational power available and the development of new iterative eigenvalue algorithms, investigating the global stability of fully three-dimensional flows, for which no simplification hypothesis is necessary, is now feasible. Following the work presented in 2008 by Bagheri et al., the aim of the present thesis is thus to develop the tools mandatory to investigate the stability of 3D flows. Three flow configurations have been chosen to illustrate the new investigation capabilities brought by global stability theory when it is applied to realistic three-dimensional flows: i) the flow within a cuboid lid-driven cavity, ii) the flow within an asymmetric stenotic pipe and iii) the boundary layer flow developing over a cylindrical roughness element mounted on a flat plate. Each of these flows have different practical applications ranging from purely academic interests to biomedical and aerodynamical applications. They also allow us to put in the limelight different aspects and possible limitations of the various tools developed during this PhD thesis.

Introduction: La surcharge de pression ventriculaire augmente à l’exercice chez les patients avec une sténose de valve aortique (SVA). Lorsqu’il n’y a aucun symptôme apparent, il est cependant difficile d’indiquer l’intervention chirurgicale en utilisant seulement les indices de surcharge de pression ventriculaire. D’autres paramètres, tels que la dispersion de la repolarisation ventriculaire (d-QT), qui augmentent avec le gradient de pression transvalvulaire (GPT), n’ont pas été étudiés dans la SVA. L’objectif de l’étude était de déterminer le modèle de réponse du segment QT et de la d-QT à l’épreuve d’effort chez des enfants avec une SVA congénitale modérée afin d’évaluer l’impact de la surcharge de pression ventriculaire selon une perspective électrophysiologique. Matériel et méthodes: 15 patients SVA modérés ont été comparés à 15 sujets contrôles appariés pour l’âge (14.8±2.5 ans vs. 14.2±1.5 ans) et pour le sexe (66,7% de sujets mâles). Tous les sujets ont fait une épreuve d’effort avec enregistrement électrocardiographique à 12 dérivations. Le segment QT a été mesuré à partir du début du complexe QRS jusqu’à l’apex de l’onde T (QTa) au repos, à l’effort maximal ainsi qu’après 1 et 3 minutes de récupération. La longueur du segment QT a été corrigée selon l’équation de Fridericia et la d-QT a été calculée. Résultats: La longueur du segment QT corrigée (QTc) était similaire au repos entre les groupes d’étude, mais était significativement élevée chez les SVA en comparaison avec le groupe contrôle à l’effort maximal (p=0.004) ainsi qu’après 1 (p<0.001) et 3 (p<0.001) minutes de récupération. Une interaction significative a été identifiée entre les groupes pour la d-QT (p=0.034) et les tests post hoc ont révélé une différence significative seulement au repos (p=0.001). Conclusions: Les anomalies de repolarisation ventriculaire peuvent être révélées par l’évaluation de la repolarisation électrique lors de l’épreuve d’effort chez les SVA modérées asymptomatiques. L’utilisation de la réponse du QT à l’effort pourrait être bénéfique pour l’optimisation de la stratification du risque chez ces patients. / Introduction: Pressure overload increases in patients with moderate aortic valvular stenosis (AVS) during acute exercise. In the absence of symptoms, it remains difficult however, to discriminate patients for surgery based only on pressure overload. Other parameters, such as the dispersion of ventricular repolarisation (d-QT), which reportedly increases with the transvalvular pressure gradient, have not been fully studied in AVS. The aim of the study was to determine the pattern of QT and d-QT response to exercise testing in children with moderate AVS to evaluate the impact of pressure overload from an electrophysiological perspective. Materials and methods: 15 moderate AVS patients were compared to 15 controls paired for age (14.8±2.5 vs. 14.2±1.5 years old) and gender (66.7% male). All subjects underwent exercise stress testing with 12-lead ECG recording. QT was measured from the onset of QRS to the apex (QTa) at rest, peak exercise, 1 and 3 minutes of recovery. QT was corrected using the Fridericia equation and d-QT was calculated. Results: Resting QTc was similar among the study groups, but increased significantly in AVS in comparison to the control group at maximal effort (p=0.004) and after 1 (p<0.001) and 3 (p<0.001) minutes of recovery. A significant interaction was identified between groups for d-QT (p=0.034) and post-hoc tests revealed a significant difference only at rest (p=0.001). Conclusions: Ventricular repolarisation abnormalities can be unmasked and highlighted by the assessment of electrical repolarisation during exercise challenge in asymptomatic moderate AVS. Using QT response to exercise could be beneficial for better optimisation of risk stratification in these patients.

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Les artéfacts métalliques entraînent un épaississement artéfactuel de la paroi des tuteurs en tomodensitométrie (TDM) avec réduction apparente de leur lumière. Cette étude transversale prospective, devis mesures répétées et observateurs avec méthode en aveugle, chez 24 patients consécutifs/71 tuteurs coronariens a pour objectif de comparer l’épaisseur de paroi des tuteurs en TDM après reconstruction par un algorithme avec renforcement des bords et un algorithme standard. Une angiographie coronarienne par TDM 256 coupes a été réalisée, avec reconstruction par algorithmes avec renforcement des bords et standard. L’épaisseur de paroi des tuteurs était mesurée par méthodes orthogonale (diamètres) et circonférentielle (circonférences). La qualité d’image des tuteurs était évaluée par échelle ordinale, et les données analysées par modèles linéaire mixte et régression logistique des cotes proportionnelles. L’épaisseur de paroi des tuteurs était inférieure avec l’algorithme avec renforcement des bords comparé à l’algorithme standard, avec les méthodes orthogonale (0,97±0,02 vs 1,09±0,03 mm, respectivement; p<0,001) et circonférentielle (1,13±0,02 vs 1,21±0,02 mm, respectivement; p<0,001). Le premier causait moins de surestimation par rapport à l’épaisseur nominale comparé au second, avec méthodes orthogonale (0,89±0,19 vs 1,00±0,26 mm, respectivement; p<0,001) et circonférentielle (1,06±0,26 vs 1,13±0,31 mm, respectivement; p=0,005) et diminuait de 6 % la surestimation. Les scores de qualité étaient meilleurs avec l’algorithme avec renforcement des bords (OR 3,71; IC 95% 2,33–5,92; p<0,001). En conclusion, la reconstruction des images avec l’algorithme avec renforcement des bords génère des parois de tuteurs plus minces, moins de surestimation, et de meilleurs scores de qualité d’image que l’algorithme standard. / Metallic artifacts can result in an artificial thickening of the coronary stent wall which can significantly impair computed tomography (CT) imaging in patients with coronary stents. The purpose of this study is to assess the in vivo visualization of coronary stent wall and lumen with an edge-enhancing CT reconstruction kernel, as compared to a standard kernel. This is a prospective cross-sectional study of 24 consecutive patients with 71 coronary stents, using a repeated measure design and blinded observers, approved by the Local Institutional Review Board. 256-slice CT angiography was used, as well as standard and edge-enhancing reconstruction kernels. Stent wall thickness was measured with orthogonal and circumference methods, averaging wall thickness from stent diameter and circumference measurements, respectively. Stent image quality was assessed on an ordinal scale. Statistical analysis used linear and proportional odds models. Stent wall thickness was inferior using the edge-enhancing kernel compared to the standard kernel, either with the orthogonal (0.97±0.02 versus 1.09±0.03 mm, respectively; p<0.001) or circumference method (1.13±0.02 versus 1.21±0.02 mm, respectively; p<0.001). The edge-enhancing kernel generated less overestimation from nominal thickness compared to the standard kernel, both with orthogonal (0.89±0.19 versus 1.00±0.26 mm, respectively; p<0.001) and circumference (1.06±0.26 versus 1.13±0.31 mm, respectively; p=0.005) methods. The average decrease in stent wall thickness overestimation with an edge-enhancing kernel was 6%. Image quality scores were higher with the edge-enhancing kernel (odds ratio 3.71, 95% CI 2.33–5.92; p<0.001). In conclusion, the edge-enhancing CT reconstruction kernel generated thinner stent walls, less overestimation from nominal thickness, and better image quality scores than the standard kernel.

Une fistule artérioveineuse (FAV) est un accès vasculaire permanent créé par voie chirurgicale en connectant une veine et une artère chez le patient en hémodialyse. Cet accès vasculaire permet de mettre en place une circulation extracorporelle partielle afin de remplacer les fonctions exocrines des reins. En France, environ 36000 patients sont atteint d’insuffisance rénale chronique en phase terminale, stade de la maladie le plus grave qui nécessite la mise en place d’un traitement de suppléance des reins : l’hémodialyse. La création et présence de la FAV modifient significativement l’hémodynamique dans les vaisseaux sanguins, au niveau local et systémique ainsi qu’à court et à plus long terme. Ces modifications de l’hémodynamiques peuvent induire différents pathologies vasculaires, comme la formation d’anévrysmes et de sténoses. L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le comportement mécanique et l’hémodynamique dans les vaisseaux de la FAV. Nous avons étudié numériquement les interactions fluide-structure (IFS) au sein d’une FAV patient-spécifique, dont la géométrie a été reconstruite à partir d’images médicales acquises lors d’un précédent doctorat. Cette FAV a été créée chez le patient en connectant la veine céphalique du patient à l’artère radiale et présente une sténose artérielle réduisant de 80% la lumière du vaisseau. Nous avons imposé le profil de vitesse mesuré sur le patient comme conditions aux limites en entrée et un modèle de Windkessel au niveau des sorties artérielle et veineuse. Nous avons considéré des propriétés mécaniques différentes pour l’artère et la veine et pris en compte le comportement non-Newtonien du sang. Les simulations IFS permettent de calculer l’évolution temporelle des contraintes hémodynamiques et des contraintes internes à la paroi des vaisseaux. Nous nous sommes demandées aussi si des simulations non couplées des équations fluides et solides permettaient d’obtenir des résultats suffisamment précis tout en réduisant significativement le temps de calcul, afin d’envisager son utilisation par les chirurgiens. Dans la deuxième partie de l’étude, nous nous sommes intéressés à l’effet de la présence d’une sténose artérielle sur l’hémodynamique et en particulier à ses traitements endovasculaires. Nous avons dans un premier temps simulé numériquement le traitement de la sténose par angioplastie. En clinique, les sténoses résiduelles après angioplastie sont considérées comme acceptables si elles obstruent moins de 30% de la lumière du vaisseau. Nous avons donc gonflé le ballonnet pour angioplastie avec différentes pressions de manière à obtenir des degrés de sténoses résiduelles compris entre 0 et 30%. Une autre possibilité pour traiter la sténose est de placer un stent après l’angioplastie. Nous avons donc dans un deuxième temps simulé ce traitement numériquement et résolu le problème d’IFS dans la fistule après la pose du stent. Dans ces simulations, la présence du stent a été prise en compte en imposant les propriétés mécaniques équivalentes du vaisseau après la pose du stent à une portion de l’artère. Dans la dernière partie de l’étude nous avons mis en place un dispositif de mesure par PIV (Particle Image Velocimetry). Un moule rigide et transparent de la géométrie a été obtenu par prototypage rapide. Les résultats expérimentaux ont été validés par comparaison avec les résultats des simulations numériques. / An arteriovenous fistula (AVF) is a permanent vascular access created surgically connecting a vein onto an artery. It enables to circulate blood extra-corporeally in order to clean it from metabolic waste products and excess of water for patients with end-stage renal disease undergoing hemodialysis. The hemodynamics results to be significantly altered within the arteriovenous fistula compared to the physiological situation. Several studies have been carried out in order to better understand the consequences of AVF creation, maturation and frequent use, but many clinical questions still lie unanswered. The aim of the present study is to better understand the hemodynamics within the AVF, when the compliance of the vascularwall is taken into account. We also propose to quantify the effect of a stenosis at the afferent artery, the incidence of which has been underestimated for many years. The fluid-structure interactions (FSI) within a patient-specific radio-cephalic arteriovenous fistula are investigated numerically. The considered AVF presents an 80% stenosis at the afferent artery. The patient-specific velocity profile is imposed at the boundary inlet, and a Windkessel model is set at the arterial and venous outlets. The mechanical properties of the vein and the artery are differentiated. The non-Newtonian blood behavior has been taken into account. The FSI simulation advantageously provides the time-evolution of both the hemodynamic and structural stresses, and guarantees the equilibrium of the solution at the interface between the fluid and solid domains. The FSI results show the presence of large zones of blood flow recirculation within the cephalic vein, which might promote neointima formation. Large internal stresses are also observed at the venous wall, which may lead to wall remodeling. The fully-coupled FSI simulation results to be costly in computational time, which can so far limit its clinical use. We have investigated whether uncoupled fluid and structure simulations can provide accurate results and significantly reduce the computational time. The uncoupled simulations have the advantage to run 5 times faster than the fully-coupled FSI. We show that an uncoupled fluid simulation provides informative qualitative maps of the hemodynamic conditions in the AVF. Quantitatively, the maximum error on the hemodynamic parameters is 20%. The uncoupled structural simulation with non-uniform wall properties along the vasculature provides the accurate distribution of internal wall stresses, but only at one instant of time within the cardiac cycle. Although partially inaccurate or incomplete, the results of the uncoupled simulations could still be informative enough to guide clinicians in their decision-making. In the second part of the study we have investigated the effects of the arterial stenosis on the hemodynamics, and simulated its treatment by balloon-angioplasty. Clinically, balloon-angioplasty rarely corrects the stenosis fully and a degree of stenosis remains after treatment. Residual degrees of stenosis below 30% are considered as successful. We have inflated the balloon with different pressures to simulate residual stenoses ranging from 0 to 30%. The arterial stenosis has little impact on the blood flow distribution: the venous flow rate remains unchanged before and after the treatment and thus permits hemodialysis. But an increase in the pressure difference across the stenosis is observed, which could cause the heart work load to increase. To guarantee a pressure drop below 5 mmHg, which is considered as the threshold stenosis pressure difference clinically, we find that the residual stenosis degree must be 20% maximum.

La sténose de l’artère rénale (SAR) est à l’origine d’une néphropathie dite « ischémique », dont les mécanismes conduisant au développement d’une insuffisance rénale sont mal connus. Il est utile de savoir à partir de quel degré de SAR surviennent des modifications hémodynamiques significatives dans le rein d’aval, et si une SAR chronique et hémodynamiquement significative peut entraîner une hypoxie rénale. Nous avons donc entrepris 2 études afin de préciser le lien entre degré de SAR et baisse du débit sanguin rénal (DSR), et de rechercher l’apparition d’une hypoxie dans le rein situé en aval d’une SAR chronique. Les résultats de la première étude montrent que la baisse du DSR reste modeste tant que le degré de SAR n’a pas dépassé 70%. Ces résultats nous permettent de conclure qu’une SAR de degré inférieur à 70% n’est probablement associée qu’à des modifications hémodynamiques mineures dans le rein d’aval. Dans la deuxième étude, nous avons décrit l’évolution du contenu rénal en oxygène (CRO) sur une période de 4 semaines après induction d’une SAR chez des rats. La méthode utilisée était l’IRM BOLD, qui permet d’étudier le CRO de manière non-invasive en mesurant le paramètre R2* dont la valeur est inversement proportionnelle au CRO. La mesure hebdomadaire de R2* dans le cortex, la médullaire externe et la partie externe de la médullaire externe des reins sténosés et des reins controlatéraux ne variaient pas au cours de l’étude, malgré l’apparition progressive d’une atrophie des reins en aval de la SAR. Ces données tendent à montrer qu’il n’y a pas d’hypoxie rénale dans notre modèle, et que l’atrophie rénale observée n’est donc pas secondaire à l’hypoxie / Renal artery stenosis (RAS) can lead to a so-called “ischemic” nephropathy but the mechanisms responsible for the development of chronic kidney disease in kidney downstream the RAS are largely unknown. There is an interest to know the degree of RAS that involves significant hémodynamic changes in the downstream kidney and if hypoxia occurs in this case. Therefore, we have undertaken two studies in order to describe the link between RAS degree and renal blood flow (RBF) and to search for the development of renal hypoxia in kidney downstream the RAS. Findings of the first study were that only a minor decrease of RBF occurs until the RAS degree reach 70%. We can thus conclude from these results that RAS degree must be at least of 70% to have hemodynamical repercussions in downstream kidney. In the second study, we describe the evolution of renal oxygen content (ROC) before and during 4 weeks after the constitution of RAS. ROC was measured weekly by the MRI BOLD technique, who allows to study ROC non-invasively by measuring the parameter called R2* that is inversely proportional to ROC. The value of R2* in the cortex, the outer medulla and the outer stripe of outer medulla in stenotic kidneys and controlateral kidneys was unchanged instead the development of atrophy of the kidney downstream the RAS. These results suggest that no renal hypoxia occur in this model and that renal atrophy is not caused by hypoxia

Le vieillissement vasculaire est un phénomène inéluctable. Il s'accompagne de modifications structurelles et fonctionnelles du système cardio-vasculaire constituant la rigidité vasculaire. Ce processus dégénératif affecte essentiellement la matrice extra cellulaire des artères élastiques. La perte de l'élasticité du système vasculaire va impacter la fonction ventriculaire gauche et la perfusion cardiaque, rénale et cérébrale par des mécanismes différents. La rigidité vasculaire est un puissant marqueur de risque cardio-vasculaire. Cette notion est peu répandue dans le domaine de la cardiologie interventionnelle alors qu'elle pourrait avoir des implications pronostiques et thérapeutiques importantes. Nous nous sommes intéressés à deux domaines de la cardiologie interventionnelle, pour lesquels la rigidité vasculaire pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche, la maladie coronaire et le traitement interventionnel du rétrécissement aortique. Concernant la maladie coronaire il existe un besoin de mieux comprendre la physiopathologie de la microcirculation et de l'ischémie myocardique. La survenue des accidents coronaires aigus reste également incomplètement comprise. Nous avons abordé la problématique par une approche épidémiologique en étudiant l'impact pronostique de la rigidité vasculaire sur la mortalité liée aux coronaropathies dans une cohorte de 1034 patients hypertendus avec 30 années de suivi. La rigidité vasculaire a été appréciée par la pression pulsée et un score d'athérosclérose de l'aorte abdominale. Un lien très fort a été mis en évidence entre la rigidité vasculaire et la survenue d'infarctus du myocarde. Nous avons ensuite développé un moyen d'étudier la rigidité vasculaire localement au niveau des artères coronaires. Nous avons mis au point une technique de mesure de la vitesse de l'onde de pouls coronaire. Cette technique repose sur l'utilisation d'un guide de pression ntra-coronaire et un algorithme breveté du traitement de signal. Nous sommes parvenus à mesurer une vitesse de l'onde de pouls sur 71 artères coronaires chez 49 patients. Nous avons observé une vitesse de l'onde de pouls plus lente témoignant d'artères plus compliantes chez les patients présentant un infarctus du myocarde en comparaison aux patients présentant un angor stable. Nous avons également constaté une augmentation de la vitesse de l'onde de pouls après implantation d'un stent endocoronaire témoignant d'une rigidification attendue de l'artère coronaire. Ces travaux pourraient ouvrir une nouvelle voie de recherche dans la compréhension de l'ischémie myocardique et de la survenue de l'accident coronaire aigu à savoir l'interaction rigidité vasculaire globale et rigidité locale coronaire. Concernant le traitement interventionnel du rétrécissement aortique, de nouveaux facteurs prédictifs du bénéfice de l'intervention sont nécessaires chez des patients souvent âgés et fragiles. Nous nous sommes intéressés à l'étude du volume de calcifications de l'aorte, reflet de la rigidité vasculaire. Ce paramètre a été mesuré par scanner chez des patients traités par remplacement valvulaire aortique par voie percutanée appelé TAVI pour transcatheter aortic valve implantation. Nous avons d'abord montré que le volume de calcifications de l'aorte ascendante était un puissant marqueur de risque indépendant de mortalité cardiaque et d'insuffisance cardiaque sur une série de 127 patients consécutifs traités par TAVI, avec un suivi médian de 907 jours. Ce travail a ensuite été complété en étudiant le volume de calcifications de l'aorte totale sur une série de 164 patients. Le volume de calcifications de l'aorte complète était prédicteur de mortalité totale et cardiaque. De plus, chaque segment d'aorte pris séparément (aorte ascendante, descendante et abdominale) prédisait la mortalité cardiaque. Enfin, seul le volume de calcifications du segment ascendant était prédicteur d'insuffisance cardiaque [etc…] / Vascular aging is an inevitable phenomenon. It is accompanied by structural and functional modifications of the cardiovascular system mainly referred to as vascular stiffening. This degenerative process essentially affects the extracellular matrix of the elastic arteries. The loss of elasticity of the vascular tree affects left ventricular function as well as cardiac, renal and cerebral perfusions involving different mechanisms. Vascular stiffness is a powerful risk marker of cardiovascular disease. However, most interventional cardiologists are not familiar with this concept while it may have both important prognostic and therapeutic implications. We tackled two areas of interventional cardiology, where vascular stiffness may open new fields of research; coronary artery disease and interventional treatment of aortic stenosis namely, transcatheter aortic valve implantation (TAVI). With regards to coronary artery disease there is a need to better understand the pathophysiology of microcirculation and myocardial ischemia. Moreover, the occurrence of acute coronary events is also incompletely understood. Our first approach was epidemiological. We studied the prognostic impact of vascular stiffness on coronary artery disease mortality in a cohort of 1034 hypertensive patients after 30 years of follow-up. Vascular stiffness was assessed both by pulse pressure and by a score related to atherosclerosis of the abdominal aorta. A strong link was found between vascular stiffness and the occurrence of myocardial infarction and coronary artery disease related deaths. We then developed a way to study the local vascular stiffness at coronary artery level by measuring coronary pulse wave velocity. This technique relies on the use of an intracoronary pressure wire and a patented signal processing algorithm. We measured a coronary pulse wave velocity on 71 coronary arteries in 49 patients. Interestingly, patients with acute coronary syndromes had a lower coronary pulse wave velocity (which means more compliant arteries) when compared to patients with stable coronary artery disease. After an endocoronary stent implantation we noticed an increase of coronary pulse wave velocity in line with an expected stiffening. This work opens a new avenue of research regarding coronary perfusion physiology and plaque complications by studying the interaction of regional vascular stiffness and local coronary stiffness. Regarding TAVI, a procedure that often concerns elderly and frail patients, new factors predicting the benefit of the intervention are needed. We studied aortic calcifications as a surrogate of vascular stiffness. This parameter was measured by CT scan before TAVI. We first showed in 127 consecutive patients with a median follow-up of 907 days that ascending aorta calcifications were a powerful risk marker of cardiac mortality and heart failure after TAVI. This study was then completed by studying the volume of the whole aorta in 164 patients. The volume of calcifications of the whole aorta was a predictor of both all-cause and cardiac mortality. In addition, each segment of aorta taken separately (ascending, descending and abdominal aorta) predicted cardiac mortality. Finally, only ascending aorta calcifications predicted heart failure. These results support the hypothesis that ascending aorta calcifications are a marker of vascular stiffness and contribute to the left ventricular afterload. Moreover the volume of the whole aorta could mirror the global atherosclerosis burden of the patient. This easily measurable parameter could thus represent a new risk stratification tool in patients treated with TAVI. This work on vascular stiffness opens a new field of research in several areas of interventional cardiology. Regarding coronary artery disease, coronary pulse wave velocity could represent a way to better understand coronary perfusion, microcirculation, ischemia and the occurrence of coronary plaque rupture [etc...]

Le développement récent de l’endoscopie interventionnelle digestive nous a conduit à prendre en charge deux types de pathologies préoccupantes. Il s’agit d’une part des fistules digestives souvent responsables d’une morbi-mortalité élevée et d’autre part des sténoses œsophagiennes après résection tumorale endoscopique étendue. Dans ces deux situations, des phénomènes inflammatoires chroniques conduisent soit à l’absence de fermeture de la fistule soit à une fibrose importante responsable de sténose de l’œsophage. La thérapie cellulaire a déjà été utilisée pour diminuer ces phénomènes inflammatoires et entrainer une cicatrisation. La thérapie tissulaire par cellules souches organisées en construction 3D représente un avantage important en permettant de cibler le site d’action par dépôt direct du feuillet cellularisé. Notre objectif était d’évaluer l’effet thérapeutique de ces nouveaux outils pour fermer les fistules digestives et pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes. La première étape a consisté a évaluer l’efficacité du traitement par des cellules souches mésenchymateuses provenant de moelle osseuse humaine, marquées puis organisées en doubles feuillets, dans un modèle de fistule entéro-cutanée post-chirurgicale chez la souris nude. L’évaluation clinique et en imagerie (IRM et microscopie confocale) a montré une meilleure cicatrisation avec une augmentation de la microvascularisation et une accélération de la fermeture de la fistule chez les souris greffées. Les effets observés semblent liés à une augmentation précoce de la synthèse des facteurs de réparation (EGF et le VEGF) et des cytokines anti-inflammatoires (TGF-ß2 et IL-10). Après avoir développé un modèle inédit de fistule oeso-cutanée chez le porc grâce à la mise en place par voie endoscopique et chirurgicale de prothèses plastiques entre la lumière œsophagienne et la peau, nous avons évalué l’efficacité thérapeutique d’un gel contenant des vésicules extracellulaires issues de cellules souches isolées du tissu adipeux de porc. Ce gel injecté dans la fistule par voie endoscopique a permis la fermeture des fistules. Enfin, la troisième partie de notre travail a consisté à évaluer l’efficacité de la greffe allogénique de doubles feuillets de cellules souches mésenchymateuses pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes dans un modèle porcin après dissection sous muqueuse étendue. Il existait une réduction significative du taux de sténose œsophagienne cicatricielle dans le groupe greffé avec une fibrose moins importante. En conclusion, l’effet paracrine antifibrosant des cellules souches mésenchymateuses organisées en feuillets est efficace à la fois pour fermer les fistules entéro-cutanées chez la souris et pour prévenir les sténoses œsophagiennes chez le porc. Un gel avec des vésicules extracellulaires issues des cellules souches a de la même façon un effet cicatrisant anti-inflammatoire permettant la fermeture des fistules œsophagiennes chez le porc. Ces résultats sont très encourageants et posent la question d’une évaluation future chez l’homme. / Recent developments in digestive interventional endoscopy lead us to manage two types of digestive disease. First, it is digestive fistulas associated in many cases with high morbi-mortality; and second is oesophageal stenosis after extended superficial endoscopic resection. In both situations, chronic inflammatory process resulted in delayed or no fistula healing for the first case or oesophageal stenosis due to fibrosis. Cellular therapy has proved to be successful in reducing the inflammatory process and to promote tissue healing. Tissue therapy with 3D construct stem cells represents a major advantage by allowing a direct adaptation on the right place. Our objective was to evaluate the therapeutic effect of new strategy to close the digestive fistula and to prevent oesophageal stenosis. First step was to evaluate the effect of labelled human bone marrow derived mesenchymal stem cells engraftment in the form of double cellsheet in a post-surgical fistula model in nude mice. Clinical and radiological (MRI and probe based confocal microscopy) evaluation showed a better fistula healing with higher microvascularization and a faster fistula closing in grafted mice. These effects appear to be related to an increase production of factors involved in tissue repair (EGF et le VEGF) and anti-inflammatory cytokines (TGF-ß2 et IL-10). We developed an unpublished eso-cutaneous fistula in a porcine model after plastic catheters placement by surgical and endoscopic way between the oesophageal lumen and the skin. We evaluated the therapeutic effect of a hydrogel with extracellular vesicles extracted from porcine adipose derived stem cells. The hydrogel with vesicles was injected into the fistula by endoscopy. Radiological and histological evaluation 15 days after injection showed a fistula tract closure in treated group.The third part of this work was to evaluate the effect of allograft of adipose derived stem cells 3D construct to prevent the stenosis after extended endoscopic submucosal dissection in a porcine model. There was a significant reduction of number and degree of stenosis with decrease fibrosis infiltration in the grafted group.In summary, thanks to their paracrine and antifibrotic effect, the mesenchymal stem cells organised as 3D construct allowed fistula closure in an entero-cutaneous model in mice and prevention of stenosis after extended oesophageal submucosal dissection in a porcine model. Moreover, endoscopic hydrogel and extracellular vesicles injection allowed oesophageal fistula healing in a porcine model. These promising results pose the challenge of future clinical studies.