Thèse de doctorat : Biomécanique : Paris 12 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Pagination : XII-247 p. Bibliogr. : 152 réf.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 22 mars 2004). Bibliogr. Présenté aussi en version papier.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 novembre 2004). Bibliogr.

Thèse (M.Sc.) -- Université Laval, 2001. / Bibliogr.: f. 172-198. Publié aussi en version électronique.

Les maladies cardiovasculaires représentent une des principales causes de décès dans le monde et différentes actions sont en place depuis des décennies pour comprendre les mécanismes d’action de ces maladies et leur impact sur le corps humain. Dans l’optique de venir en aide aux personnes souffrant de ces maladies, le génie tissulaire vasculaire émerge comme une technologie prometteuse afin de favoriser la régénération des tissus et des organes endommagés. Cependant, les modèles issus du génie tissulaire, en plus d’être biologiquement et chimiquement comparables au tissu natif, doivent également présenter des propriétés mécaniques permettant aux modèles de répondre aux différentes fonctions physiologiques. Dans cette optique, il est nécessaire de concevoir, optimiser et développer une série d’essais permettant de vérifier les performances mécaniques des constructions regénérées. De nombreuses approches ont été déployées dans ce domaine contenant chacune ses avantages et ses inconvénients, mais il n’existe pas, à l’heure actuelle, aucun standard sur le protocole des essais mécaniques à préconiser avec un échantillon spécifique. Dans ce contexte, le projet de ce mémoire a été de concevoir et de valider des protocoles de caractérisation mécanique non-conventionnels appliqués spécifiquement à des tissus vasculaires. Tout d’abord, un protocole pour la caractérisation mécanique de gels de collagène en configuration plane à été développé. Ensuite, ce protocole à été étendu pour la modélisation numérique afin d’étudier l’applicabilité d’un modèle poro-viscoélastique. Par la suite, des protocoles expérimentaux ont été développés afin de permettre la densification de gel de collagène ainsi que leur caractérisation mécanique. Enfin, une caractérisation expérimentale d’aortes de souris calcifiées à été réalisée. Dans son ensemble, l’étude exécutée dans le cadre de cette maîtrise à permis l’approfondissement des connaissances dans le domaine de la caractérisation mécanique des tissus mous viscoélastiques. Ce mémoire présente également d’autres techniques de caractérisation mécanique pour différents types de tissus vasculaires. D’autres protocoles de tests développés dans le cadre de collaboration avec d’autres groupes de recherche sont décrits dans ce mémoire. / Cardiovascular diseases represent one of the principal causes of death worldwide. It is therefore of high importance to improve our understanding of their mechanisms of action and their impact on health. To help people suffering from these diseases, tissue engineering is emerging as a promising technique for developing regenerated constructs to replace diseased tissues and organs. However, apart from being biologically compatible, the developed construct also needs to have mechanical properties like the one of native tissues. It is therefore necessary to perform mechanical characterization on the tissue engineered construct to validate its suitability. When it comes to mechanical characterization, a lot of approaches are used by different research groups as there is absolutely no standard in this field. In this context, the objective of this thesis is to develop and validate non-conventional mechanical characterization protocols specific to soft tissues for vascular application. First, a testing protocol was developed to characterize disk-shaped collagen gel samples. Secondly, the same collagen gel, but in tubular geometry, were densified and also characterized. Finally, a mechanical testing protocol and device was developed in order to characterize very small caliber blood vessels, such as mouse aortas. This thesis also presents other techniques for mechanical characterization used for vascular tissue, as along with protocols developed in the process of external collaboration with different research groups.

L'analyse par réseau de co-expression de gènes est un outil entré il y a 15 ans dans l'ensemble des outils disponibles pour l'analyse transcriptomique. En étudiant la variation de synchronisation de l'expression des gènes, cet outil permet de révéler de nouveaux gènes impliqués dans des maladies ou phénotypes dont l'expression seule n'est pas significativement différente. Il est également capable de détecter des groupes de gènes, ou modules, interagissant préférentiellement et sur lesquels il est possible d'effectuer une exploration étendue. Il est ainsi possible d'utiliser des méthodes avec injection de connaissance préalable comme l'enrichissement de gènes ou l'association phénotypique, ou des méthodes guidées par les données comme l'analyse topologique ou la co-expression différentielle. Pourtant, ce type d'analyse reste sous exploitée actuellement par rapport à son potentiel, et notamment dans certaines maladies ou phénotypes où l'altération est une désorganisation du système comme le vieillissement. Afin de faciliter à tout chercheur l'emploi de cette méthode, un progiciel R disponible sur Bioconductor et nommé GWENA a été développé. Organisé comme un pipeline d'analyse simplifié et allant de la construction du réseau jusqu'à l'aide à l'interprétation des modules entre différentes conditions, c'est également le seul pipeline actuel à intégrer la co-expression différentielle. Pour assister l'utilisateur, il comprend de nombreux avertissements sur l'intégrité des données rentrées et sur la plausibilité des résultats. Afin d'éviter de devoir recourir à d'autres logiciels, il contient également un système de visualisation des réseaux. Enfin, GWENA est un outil dont l'architecture modulaire lui permettra d'évoluer avec le temps. L'efficacité de GWENA a été démontrée dans une première étude du vieillissement du muscle squelettique humain où un sous ensemble de gènes a été priorisé pour l'étude de la sarcopénie. Il a également permis de préciser une topologie du réseau spécifique du vieillissement et observée auparavant : la perte de connectivité du réseau, ou déconnexion. En effet, parallèlement à la déconnexion, il a été constaté grâce à GWENA une reconnexion locale située au niveau des gènes pivots. Pour étudier cette topologie à large échelle, l'analyse a été répétée sur un ensemble élargi de tissus humains. Par un recoupement des modules différentiellement exprimés, des phénomènes communs du vieillissement entre tissus sont apparus ainsi que des phénomènes spécifiques à certains tissus. L'analyse topologique, notamment de la déconnexion, des gènes inclus dans ces recoupements pour deux exemples, un phénomène commun et un phénomène spécifique, a à son tour permis la priorisation de gènes encore mal étudiés ou inconnus dans ces phénomènes. En finalité, les travaux présentés au cours de cette thèse auront amené à la création d'un outil utile à la communauté de biologistes comme bio-informaticiens pour faciliter l'accès à une analyse à a haut potentiel dans l'analyse du vieillissement et toute autre condition, notamment celles axées sur la dérégulation de l'expression systémique. / Gene co-expression network analysis is a tool that entered the transcriptomics analysis toolbox 15 years ago. By studying the variation in the synchronization of gene expression, this tool can reveal new genes involved in diseases or phenotypes whose expression alone is not significantly different. It is also able to detect groups of genes, or modules, that interact preferentially and on which it is possible to carry out an extended exploration. It is therefore possible to use knowledge-driven methods such as gene enrichment or phenotypic association, or data-driven methods such as topological analysis or differential co-expression. Nevertheless, this type of analysis is currently under-exploited compared to its potential, especially in certain diseases or phenotypes where the alteration is a disorganization of the system such as aging. In order to facilitate the use of this method by any researcher, an R software package available on Bioconductor and named GWENA has been developed. Organized as a simplified analysis pipeline from the construction of the network to the interpretation of the modules between different conditions, it is also the only current pipeline to integrate the differential co-expression. To assist the user, it includes numerous warnings about the integrity of the data entered and the plausibility of the results. In order to avoid having to use other software, it also contains a network visualization system. Finally, GWENA is a tool whose modular architecture allows it to evolve overtime. The effectiveness of GWENA has been demonstrated in a first study of human skeletal muscle aging, where a subset of genes was prioritized for the study of sarcopenia. It also allowed to clarify a network topology specific to aging and previously observed: the loss of network connectivity, or disconnection. Indeed, in parallel to the disconnection, a local reconnection located at the level of hub genes was observed thanks to GWENA. To study this topology on a large scale, the analysis was repeated on an extended set of human tissues. By cross-referencing differentially expressed modules, common aging phenomena between tissues were identified as well as tissue-specific phenomena. Topological analysis, including disconnection, of the genes included in these overlaps for two examples, a common and a specific phenomenon, in turn allowed the prioritization of genes still poorly studied or unknown in these phenomena. Overall, the work presented in this thesis will have led to the creation of a useful tool for the community of biologists as bioinformaticians to facilitate access to a high-potential analysis in the analysis of aging and any other condition, especially those focused on the deregulation of systemic expression.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / Le microenvironnement tumoral se caractérise notamment par une altération de ses propriétés mécaniques. Cependant, la plupart des modèles actuels sont incapables de recréer fidèlement les propriétés mécaniques d'une tumeur. Les modèles d'ingénierie tissulaire basés sur la méthode d'auto-assemblage ont le potentiel de mieux récapituler l'architecture et la composition du stroma. Ici, nous avons utilisé la méthode d'auto-assemblage basée sur un modèle de tissu de vessie pour créer un environnement semblable à celui d'une tumeur. Le modèle tumoral repose sur la capacité des fibroblastes primaires sains (HFs) induits en fibroblastes associés au cancer (iCAFs) à reconstituer un stroma récapitulant les propriétés d'une tumeur de vessie. Les objectifs de ce projet sont de caractériser le modèle auto-assemblé et définir les composantes permettant de contrôler l'induction des fibroblastes. Nos résultats ont montré que la composition de la matrice extracellulaire (MEC) dérivée des iCAFs est plus rigide, avec un dépôt et un remodelage accru du collagène et de la fibronectine. La technique de microscopie à polarisation quantitative a montré que les cellules urothéliales cultivées sur la MEC composée d'iCAFs étaient plus contractiles et présentaient une translocation nucléaire élevée de YAP. De plus, nos résultats montrent une augmentation de la prolifération des cellules urothéliales présentes sur le stroma des iCAFs ainsi qu'une expression accrue de marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) qui corrèlent avec l'augmentation de la rigidité de la MEC des modèles iCAFs. Une caractérisation plus fine de l'activation des fibroblastes montre un changement de morphologie, d'expression de l'α-SMA et de contractilité cellulaire. En somme, les niveaux de rigidité et la structure du stroma obtenus à l'aide de ce modèle de génie tissulaire sont comparables à ce qui est observé dans les cancers de vessie. De plus, l'urothélium présente également des réponses moléculaires attendues dans un environnement tumoral très rigide. Finalement, une meilleure compréhension des phénomènes d'induction des iCAFs permettrait un meilleur contrôle des propriétés biophysiques des modèles tumoraux produits par auto-assemblage. À terme, ce projet ouvre la porte à la production de modèles reproduisant plus fidèlement les propriétés physiques des tumeurs pour étudier les mécanismes de la progression tumorale in vitro. / A tumor microenvironment is characterized by its altered mechanical properties. However, most models remain unable to faithfully recreate the mechanical properties of a tumor. Engineered models based on the self-assembly method have the potential to better recapitulate the stroma architecture and composition. Here, we used the self-assembly method based on a bladder tissue model to engineer a tumor-like environment. The tissue-engineered tumor models were reconstituted from stroma-derived healthy primary fibroblasts (HFs) induced into cancer-associated fibroblast cells (iCAFs). The objectives of this project are to characterize the self-assembled model and to define the components that control fibroblast induction. Our results show that the iCAFs-derived extracellular matrix (ECM) composition was found to be stiffer, with increased ECM deposition and remodeling. The urothelial cells overlaid on the iCAFs-derived ECM were more contractile, as measured by quantitative polarization microscopy, and displayed increased YAP nuclear translocation. We further showed that the proliferation and expression of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) marker were increased in the urothelial cells, which correlate with the increased stiffness of the iCAFs-derived ECM. Further characterization of fibroblast activation shows a change in morphology, in α-SMA expression, and in cell contractility. Together, our results demonstrate that our tissue-engineered tumor model can achieve stiffness levels comparable to that of a bladder tumor. The urothelium also exhibits molecular responses expected in a highly rigid tumor environment. Finally, a better understanding of the induction of iCAFs would improve the control of the biophysical properties of tissue-engineered tumor models. Ultimately, this project could lead to the production of models that more accurately reproduce the physical properties of tumors to study the mechanisms of tumor progression in vitro.

L'objectif de cette thèse est de déterminer et d'analyser les gènes les plus exprimés, les gènes domestiques ainsi que les gènes spécifiques dans 15 tissus différents à l'aide de la méthode SAGE. La méthode d'analyse sérielle d'expression génique (SAGE) est une nouvelle technique qui permet de caractériser globalement tous les transcrits qui s'expriment dans une cellule ou dans un organe, et ce, de manière quantitative.

En raison des problèmes inhérents aux biomatériaux et à la transplantation d’organes, tels que la durée de vie, le rejet et la disponibilité, l'ingénierie tissulaire est désormais envisagée à plus long terme comme solution de remplacement des organes défaillants. Cette approche vise à induire et structurer la croissance tissulaire afin d’organiser les cellules en tissus et ces tissus en organes. Pour ce faire, un bioréacteur reproduisant les conditions intracorporelles est indispensable. Au cours de ce projet de maîtrise, un bioréacteur à perfusion spécifique à la régénération des artères a été conçu pour favoriser la croissance de ce tissu et étudier l’effet des diverses contraintes mécaniques (tension axiale, élongation axiale, pression interne, débit, cisaillement) sur ses propriétés mécaniques finales. La conception du bioréacteur a été effectuée suivant une méthodologie rigoureuse comprenant l’identification des besoins, la rédaction du cahier des charges, la modélisation assistée par ordinateur, la réalisation du prototype et la validation. Ce bioréacteur sera par la suite utilisé par le laboratoire pour le développement d’un substitut artériel ayant les propriétés et la structures d’une artère native. / Tissue engineering provides a new approach for overcoming the current problem of organ shortage and biomaterial failure. Three-dimensional tissues, such as arteries, are much more difficult to regenerate than bi-dimensional ones. In this context, a specific bioreactor is required in order to reproduce and maintain the appropriate environment required for 3-D tissue regeneration. During this project, a perfusion bioreactor specific for arterial tissue was designed to stimulate growth and study the effects of mechanical factors such as axial stress, axial strain, internal pressure, flow and shear stress, on final construct properties. The design was realized following a step-by-step methodology: identification of the needs, listing of the specifications, computer assisted modeling and design, and prototype realisation and validation. This bioreactor will be used by the laboratory for the development of an arterial substitute with similar properties and structure of a native artery.

Le traitement conventionnel pour les brûlures sévères est l'autogreffe. Il s'agit toutefois d'une méthode comportant des limites, notamment dans le cas des patients ayant souffert de brûlures profondes sur une grande superficie de leur corps. Pour pallier le manque de sites donneurs, il est possible de faire appel au génie tissulaire afin de produire des peaux reconstruites bilamellaires (PRB) qui peuvent remplacer les autogreffes. Le système de culture présentement utilisé pour la production des PRB utilise une couche nourricière humaine (CNH) lors de la culture des kératinocytes. Les milieux de culture actuellement utilisés pour la culture des cellules destinées à la production des PRB, soit les kératinocytes et les fibroblastes, contiennent du sérum bovin. Dans un but d'offrir des traitements de très haute qualité et le plus sécuritaire possible, il serait avantageux de remplacer ou de cesser l'utilisation de la CNH et du sérum puisque ceux-ci peuvent présenter des risques potentiels de transmission de pathogènes et de réactions immunitaires à cause de leur nature allogénique ou xénogénique. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de développer un système de culture complètement défini, en plus d'être sans éléments allogéniques ni xénogéniques, et qui permettrait la conservation des cellules souches épithéliales et la production de substituts cutanés de qualité. Il a été possible de produire une protéine, soit la protéine Sp1, qui pourra être utilisée comme additif dans le milieu de culture afin d'éventuellement remplacer la CNH lors de la culture des kératinocytes. Par ailleurs, il a été possible, à l'aide d'un milieu sans sérum pour les kératinocytes développé par notre équipe et d'un milieu sans sérum pour les fibroblastes disponible commercialement, de produire des PRB sans sérum. Celles-ci ont été soumises à des analyses *in vitro* et *in vivo* et présentent des résultats prometteurs quant à la conservation des cellules souches épithéliales et à la qualité des PRB produites. / The conventional method to treat severe burn injuries is autografts. However, it is a method with limitations, especially in the case of patients who have suffered deep burns over a large proportion of their body. To overcome the lack of donor sites, it is possible to use tissue engineering to produce tissue-engineered skin substitutes (TES) that can replace autografts. The culture system currently used for the production of TES uses a human feeder layer (HFL) for the culture of keratinocytes. The culture media currently used for the culture of cells intended for the production of TES, namely keratinocytes and fibroblasts, contain bovine serum. In order to offer treatments of a very high quality and as safe as possible, it would be advantageous to replace or discontinue the use of HFL and serum since these can present potential risks of transmission of pathogens and immune reactions because of their allogenic or xenogeneic nature. The objective of this master's project is therefore to develop a completely defined culture system, in addition to being free of allogenic and xenogeneic elements, and which would allow the conservation of epithelial stem cells and the production of skin substitutes of great quality. It was possible to produce a protein, the Sp1 protein, which could be used as an additive in the culture medium in order to eventually replace the HFL during the culture of keratinocytes. Furthermore, it was possible, using a serum-free medium for keratinocytes developed by our team and a serum-free medium for fibroblasts commercially available, to produce serum-free TESs. These have been subjected to *in vitro* and *in vivo* analyzes and show promising results pertaining the preservation of epithelial stem cells and the quality of the TESs produced.