Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [122]-127. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative hétérogène, incurable et sans traitement efficace qui se caractérise principalement par une dégénérescence sélective des neurones moteurs de la moelle épinière et du cerveau. Cette maladie se présente généralement par une faiblesse musculaire progressive, une hypertonie spastique, de la dysphagie, l’apparition de fasciculations, une paralysie presque totale et le décès de 3 à 5 ans après l’apparition des premiers symptômes. La SLA se présente sous deux formes distinctes : la SLA de type familial (SLAF) et la SLA de type sporadique (SLAS). La SLAF est associée à des mutations génétiques précises et est transmise de façon autosomale dominante dans la très grande majorité des cas. Quant à la SLAS, elle se distingue par son côté sporadique, sans cause génétique associée, et représente de 90 à 95 % de tous les cas de SLA. La peau est considérée par certains comme le plus grand organe du corps humain. Elle joue un rôle important dans la thermorégulation ainsi que dans la synthèse de la vitamine D et agit comme barrière naturelle contre l’environnement. Ses couches principales, l’épiderme et le derme, sont principalement et respectivement formées de kératinocytes et de fibroblastes. Le concept du « non-cell autonomous toxicity » stipule qu’une cellule ne présentant pas de mutation associée à une maladie donnée peut présenter un phénotype pathologique. Dans l’étude de la SLA, ce concept s’applique tant aux cellules neuronales qu’aux cellules non neuronales, comme les cellules endothéliales ou les fibroblastes de peau. Hors du système nerveux central, les fibroblastes de peau pourraient représenter une source importante et non invasive d’échantillons biologiques pour l’étude de la SLA. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires de 30 à 200 nm de diamètre. Ils sont sécrétés par tous les types cellulaires et représentent un moyen de communication cellulaire important grâce au transport de diverses molécules, dont des protéines et de l’ARN. Ces vésicules représentent une potentielle source de biomarqueur pour l’étude de diverses maladies neurodégénératives, dont la SLA. Dans le cadre du projet de recherche présenté dans cette thèse, les travaux réalisés ont permis de démontrer que l’utilisation de cellules de peau, dont des fibroblastes et des kératinocytes de patients atteints de SLA, permet d’étudier certains aspects de la pathologie de la maladie. En effet, l’utilisation d’un protocole de production de peau reconstruite en laboratoire par génie tissulaire à partir de cellules de patients atteints de SLA a permis de détecter différentes anomalies de la matrice extracellulaire en plus d’une délocalisation de la protéine TDP-43, précédemment détectée uniquement dans le système nerveux central de patients atteints de SLA. Les fibroblastes de peau ont aussi été démontrés comme étant une source d’intérêt pour la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. Le sécrétome - le matériel biologique sécrété par une cellule – provenant des fibroblastes peut être purifié à l’aide d’une technique de précipitation protéique qui permet d’obtenir un culot pur, exempt d’impuretés et de sels provenant du milieu de culture. Parmi les éléments identifiés chez les protéines, les exosomes ont été démontrés d’intérêt et importants dans leur culture. En effet, lorsque cultivés en trois dimensions, les exosomes dérivés de fibroblastes de peau 3D contiennent différentes molécules augmentant la prolifération ainsi que la migration cellulaire. De plus, ces vésicules extracellulaires contiennent une grande quantité de protéines de la matrice extracellulaire, démontrant leur importance dans la sécrétion et l’assemblage de celle-ci en culture 3D. Ces exosomes ont de plus la capacité d’améliorer le processus de guérison de plaies dans un modèle de peau reconstruite en laboratoire formé de fibroblastes et de kératinocytes. Finalement, la protéine SOD1, associée au développement de certains types de SLA familiale, a pu être démontrée comme étant un biomarqueur neuropathologique possible de la SLA sporadique. Au même titre que des patients présentant une mutation du gène SOD1, des patients atteints de SLA sporadique présentent certains aspects pathologiques associés à la maladie, dont la présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine mal repliée dans les neurones moteurs du système nerveux central. Globalement, mes travaux démontrent que les cellules de peau représentent un échantillon biologique important dans l’étude de la SLA et qu’elles pourraient constituer un outil novateur dans la découverte de nouveaux biomarqueurs de la maladie. Les exosomes sécrétés par les fibroblastes de peau en culture 3D ont été démontrés comme étant importants dans la prolifération, la migration cellulaire et la sécrétion de protéines de la matrice extracellulaire. Ces vésicules présentent un potentiel énorme dans la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. La présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine SOD1 dans les neurones moteurs du système nerveux central de patients atteints de SLA sporadique permet de croire que cette protéine pourrait devenir un biomarqueur important dans le diagnostic de la maladie. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a heterogenous neurodegenerative disease. Presently, it is an incurable disease without any effective treatment and is characterised by selective degeneration of motor neurons in the central nervous system. The symptoms that most patients display include cramps, weakness and muscle atrophy of the hands and feet progressing to the forearms, shoulders and legs, eventually leading to complete paralysis. Nearly 90% of all ALS cases are sporadic, with no known cause. The other 10% of cases represent familial ALS and are associated to ALS-linked genes, such as SOD1, FUS/TLS, TARDBP, and C9ORF72. The skin is considered by some to be the biggest organ of the human body. It plays an important role in thermoregulation as well as vitamin D synthesis. Skin also acts as a natural barrier against environmental threats. It is comprised of the epidermis and the dermis, which are made of keratinocytes and fibroblasts, among other things. The non-cell autonomous toxicity paradigm in ALS has been well established. Outside of the central nervous system, skin fibroblasts could potentially be an important source of biomarkers. The work presented in this thesis demonstrates that skin cells, such as fibroblasts and keratinocytes, derived from ALS patients, allow for the study of different pathological aspects of the disease. The use of a tissue-engineered skin from ALS patients skin cells allows for detection and observation of extracellular matrix structure abnormalities, as well as mislocalization of TDP-43, previously only detected in the motor neurons of patients. Results from experiments associated with this study shed more light on skin fibroblasts, which appear to be a potential source of novel biomarkers. Their secretome can be purified using an optimized protocol leading to pure proteins without salt contamination coming from the cell culture media. As a result, exosomes are of great interest for the discovery of novel biomarkers for the diagnosis of ALS, for following its progression, and for the culture of fibroblast cells. When cultivated in a 3D-fashion, the secreted exosomes contain molecules enhancing cell proliferation and migration, as well as high amounts of extracellular matrix proteins. These extracellular vesicles also help to enhance wound healing in a tissue-engineered model made of skin fibroblasts and keratinocytes. Finally, the SOD1 protein, which is associated with the development of some familial ALS cases, should be considered a potential neuropathological biomarker of sporadic ALS. Cytoplasmic aggregates of the misfolded protein were detected in the motor neurons of sporadic patients, alongside familial ALS patients who were carriers of an SOD1 mutation. Overall, this work shows that skin cells represent an important and minimally invasive biological sample in the study of ALS. These cells are also of interest in the discovery of novel ALS biomarkers. Exosomes secreted by skin fibroblast cells in a 3D culture are important in cell proliferation and migration. They play a crucial role in extracellular matrix protein secretion. The results of this study show that exosomes, proven to be secreted by dermal fibrobasts when cultivated in a 3D fashion, may become as a primary source of biomarkers in ALS. Cytoplasmic aggregates of misfolded SOD1 in motor neurons of sporadic ALS patients could lead to the development of diagnostic tests with SOD1.

Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réépithélialisation des plaies cutanées, des expériences ont été réalisées chez la souris et à l'aide d'un nouveau modèle tridimensionnel humain issu du génie tissulaire. Bien qu'ayant eu lieu en fonction du temps, les expériences réalisées montrent que les changements, qui se produisent lors de la réépithélialisation, dépendent de la localisation des cellules dans l'épiderme en régénération. L'étude de l'expression des protéines de stress chez la souris révèle que chacune possède son propre patron d'expression au long de l'épiderme en régénération : Hsp60 et Hsp70 semblent associées à la prolifération des kératinocytes; Hsp27 et Hsp90, à leur différenciation. Les observations recueillies avec le modèle in vitro de guérison des plaies suggèrent deux mécanismes complémentaires de réépithélialisation : 1) le déplacement passif des couches superficielles à partir des marges de la plaie; 2) la régénération épidermique au centre des plaies à partir de la prolifération des kératinocytes locaux et leur migration les uns par-dessus les autres afin de faire progresser l'épiderme en régénération.

L'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare caractérisée par une obstruction progressive et un remodelage vasculaire des artères pulmonaires distales, conduisant à une pression artérielle pulmonaire moyenne supérieure à 20mmHg. L'augmentation de la pression aboutit à une dysfonction du ventricule droit et la mort. À l'heure actuelle, il n'existe pas de traitement curatif pour l'HTAP. Il est donc primordial d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Comme dans le cancer, les cellules musculaires lisses de l'artère pulmonaire des patients atteints d'HTAP présentent un phénotype hyper-prolifératif et résistant à l'apoptose, entraînant un remodelage vasculaire pulmonaire. Ainsi, plusieurs stratégies thérapeutiques anti cancéreuses pourraient être utiles pour le traitement de l'HTAP. Compte tenu de l'expression altérée des récepteurs tyrosines kinases dans l'HTAP ainsi que dans le cancer, les inhibiteurs de tyrosine-kinases (ITK) ont été mise sur le marché pour le traitement de différents types de cancers et ont été envisagées dans le cadre de l'HTAP. Ainsi, l'ITK, Imatinib, a été capable de régresser l'HTAP induite dans des modèles expérimentaux, tandis que l'administration d'un autre inhibiteur, le Dasatinib, était associée au développement de l'HTAP. Récemment, plusieurs études observationnelles ont démontré le développement de l'HTAP chez des patients atteints d'un cancer du poumon non à petites cellules (CPNPC) présentant des réarrangements de la kinase lymphocytaire anaplasique (ALK) et qui ont reçu des ITK ALK/cMET, notamment Xalkori (R-Crizotinib), Ceritinib, Brigatinib et Lorlatinib. Étant donné que l'hypertension pulmonaire peut être associée à plusieurs maladies, y compris le cancer du poumon, la question demeure de savoir si le développement de l'HTAP chez les patients atteints d'un cancer du poumon recevant l'ITK ALK/c-MET représente un événement indésirable du médicament ou un résultat de la propagation de la maladie. Ainsi, l'objectif principal de chapitre 1 est de déterminer si le R-Crizotinib (connu sous le nom de Xalkori et qui est une première ligne de traitement des patients ayant un CPNPC-ALK positif) exacerbe l'HTAP et/ou prédispose à l'HTAP dans des modèles animaux. In vivo, le traitement par R-Crizotinib a entraîné une élévation marquée de la pression systolique du ventricule droit et de la pression artérielle pulmonaire moyenne associée à une augmentation de l'épaisseur de la paroi médiale des artères pulmonaires distales. De plus, R-Crizotinib, administré avant l'exposition à une faible dose de monocrotaline (MCT), induit une réponse hypertensive pulmonaire exagérée, comme en témoigne une augmentation de la pression systolique du ventricule droit et de la pression artérielle pulmonaire moyenne, de l'épaisseur de la paroi médiale et une diminution du débit cardiaque. In vitro, nous avons démontré que le traitement avec R-Crizotinib réduit la prolifération des cellules endothéliales contrôles de l'artère pulmonaire, effet associé à la formation de cellules multinucléées, ce qui est généralement observée dans les cellules qui meurent d'une une catastrophe mitotique. En conclusion, nous avons démontré que l'agent anticancéreux R-Crizotinib favorise le dysfonctionnement des cellules endothéliales, conduisant à la prédisposition et à l'exacerbation de l'HTAP dans des modèles animaux. Les dernières années de recherche ont approuvé l'importance des marques épigénétiques dans le développement de l'HTAP. En effet, nous nous sommes intéressés, dans le deuxième volet de la thèse, au facteur épigénétique « G9a », qui s'est révélé surexprimé dans différents types de cancers, favorisant la survie et la prolifération des cellules. Compte tenu de l'analogie cancer/HTAP, G9a fut un candidat idéal pour l'étude de son potentiel rôle dans le développement de l'HTAP. Ainsi, l'objectif principal du chapitre 2 est de déterminer si G9a est impliqué dans la progression et la pathogenèse de l'HTAP et de déterminer si son inhibition est bénéfique dans les modèles animaux. Nous avons démontré que G9a est surexprimé dans les artères pulmonaires de patients HTAP et dans les modèles expérimentaux. In vitro, l'inhibition pharmacologique de G9a à l'aide de BIX01294 diminue drastiquement la capacité d'hyper prolifération et la résistance à l'apoptose des cellules musculaires lisses HTAP. Grâce au séquençage d'ARN, nous avons démontré que l'inhibition de G9a s'accompagnait d'une altération du flux d'autophagie et d'une accumulation de lipides. Enfin, le traitement thérapeutique avec BIX01294 a réduit le remodelage vasculaire pulmonaire et la pression artérielle pulmonaire moyenne dans un modèle expérimentale de rat et a également amélioré l'hémodynamique pulmonaire et la fonction ventriculaire droite dans un autre modèle de souris. Ces résultats suggèrent que l'inhibition de G9a pourrait représenter une nouvelle approche thérapeutique dans l'HTAP. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare and fatal disease characterized by "a progressive loss and obstructive remodeling of pulmonary arteries (PAs) leading to a mean pulmonary arterial pressure (mPAP) greater than 20mmHg. The persistent elevation of pulmonary pressures leads to right ventricular dysfunction and death. Currently, there is no cure for patients with PAH, which increases the need to develop new and effective therapeutic strategies. Pulmonary artery smooth muscle cells (PASMCs) from PAH patients exhibit a "cancer-like" hyperproliferative and apoptosis-resistant phenotype leading to pulmonary vascular remodeling. Therefore, several anti-cancer therapies could be useful for the treatment of PAH. Given the altered expression of receptor tyrosine kinases and their ligands in PAH as well as in cancer, tyrosine kinase inhibitors (TKIs) have been marketed for the treatment of different types of cancers and have been in the spotlight for anti-PAH drug research. Indeed, the tyrosine kinase inhibitor, Imatinib, was able to regress established PAH in experimental models, while the administration of another inhibitor, Dasatinib, was associated with the development of PAH. Recently, several observational studies have highlighted the development of PAH in patients with non-small cell lung cancer (NSCLC) with anaplastic lymphocyte kinase (ALK) rearrangements who received ALK/cMET TKIs, including Xalkori (R-crizotinib), Ceritinib, Brigatinib, and Lorlatinib. Since pulmonary hypertension can be associated with several diseases, including lung cancer, the question remains whether the development of PAH in lung cancer patients receiving cMET/ALK TKIs represents an adverse drug event or a result of disease spread. Thus, the main objective of Chapter 1 is to determine whether R-Crizotinib (known as Xalkori and which is the first-line treatment for patients with advanced ALK-positive NSCLC) exacerbates PAH and/or predisposes to PAH in experimental animal models. In vivo, R-Crizotinib treatment resulted in a marked elevation of the right ventricular systolic pressure (RVSP) and mPAP which was associated with an increased medial wall thickness of the distal PAs. Additionally, we found that pretreatment of rats with R-Crizotinib, induced an exaggerated pulmonary hypertensive response, as evidenced by the increased RVSP, mPAP, medial wall thickness, and decreased cardiac output. In vitro, we have demonstrated that treatment with R-Crizotinib reduces the proliferation of control pulmonary artery endothelial cells, which was accompanied by the appearance of multinucleated cells, a feature commonly seen in cells dying from mitotic catastrophe. In conclusion, we have demonstrated for the first time that the anticancer agent R-Crizotinib promotes endothelial cell dysfunction, leading to susceptibility and exacerbation of PAH in animal models. Previous studies have demonstrated the importance of epigenetic marks in the development and progression of PAH. Indeed, we were interested in the second part of the thesis, in the epigenetic factor "G9a", which was found to be overexpressed in different types of cancers, promoting cell survival and proliferation. Given the similarities between PAH and cancer, G9a was the ideal candidate to study in PAH. Thus, the main objective of Chapter 2 is to determine if G9a is involved in the progression and pathogenesis of PAH and to determine if its inhibition is beneficial in PAH animal models. We demonstrated that G9a is overexpressed in PAs of PAH patients and in experimental models. In vitro, we found that pharmacological inhibition of G9a using BIX01294 drastically reduces the PAH-PASMC proliferation and survival. Through RNA sequencing analysis, we demonstrated that G9a inhibition is accompanied by an impaired autophagy flux and lipid accumulation. Finally, therapeutic treatment with BIX01294 reduced pulmonary vascular remodeling as well as mPAP in an experimental rat model and also improved pulmonary hemodynamics and right ventricular function in another PAH mouse model. These results suggest that G9a inhibition could represent a new therapeutic approach in PAH.

Les substituts valvulaires disponibles actuellement comportent encore plusieurs lacunes. La disponibilité restreinte des allogreffes, les risques de coagulation associés aux valves mécaniques et la durabilité limitée des bioprothèses en tissu animal sont toutes des problématiques que le génie tissulaire a le potentiel de surmonter. Avec la méthode d'auto-assemblage, le seul support des cellules consiste en leur propre matrice extracellulaire, permettant la fabrication d'un tissu entièrement libre de matériau exogène. Ce projet a été précédé par ceux des doctorantes Catherine Tremblay et Véronique Laterreur, ayant respectivement développé une méthode de fabrication de valves moulées par auto-assemblage et une nouvelle version de bioréacteur. Au cours de cette maîtrise, le nouveau bioréacteur a été adapté à une utilisation stérile avec des tissus vivants et la méthode de fabrication de valves moulées a été modifiée puis éprouvée avec la production de 4 prototypes. Ces derniers n'ont pas permis d'obtenir des performances satisfaisantes en bioréacteur, motivant la conception d'une nouvelle méthode. Plutôt que de tenter de répliquer la forme native des valves cardiaques, des études récentes ont suggéré une géométrie tubulaire. Cela permettrait une fabrication simplifiée, une implantation rapide, et un encombrement minimal en vue d'opérations percutanées. Cette approche minimaliste s'accorde bien avec la méthode d'auto-assemblage, qui a déjà été utilisée pour la production de vaisseaux de petits diamètres. Un total de 11 tubes ont été produits par l'enroulement de feuillets fibroblastiques auto-assemblés, puis ont été transférés sur des mandrins de diamètre inférieur, leur permettant de se contracter librement. La caractérisation de deux tubes contrôles a démontré que cette phase de précontraction était bénéfique pour les propriétés du tissu en plus de prévenir la contraction en bioréacteur. Les prototypes finaux pouvaient supporter un écoulement physiologique pulmonaire. Cette nouvelle méthode montre que le procédé d'auto-assemblage a le potentiel d'être utilisé pour fabriquer des valves cardiaques tubulaires. / High hopes are placed on tissue engineered heart valves to circumvent the restricted availability of allografts, the coagulation risks caused by mechanical valves and the limited durability of pericardial bioprostheses. With the self-assembly method, the only support for the cells is the extracellular matrix they themselves produce, allowing the tissue to be completely free from exogenous materials during its entire fabrication cycle. The project was preceded by those of the doctorate students Catherine Tremblay and Véronique Laterreur, who developed a new method to produce auto-assembled molded valves and a new version of the bioreactor used by our group, respectively. During this master, the new bioreactor has been adapted to a sterile use with living tissues and the molded valves method has been modified and tested with the production of 4 prototypes, which didn't provide satisfying results during their bioreactor trials. A new fabrication method was thus developed. Recently, the tubular shape has been suggested as a simple and effective geometry for tissue engineered heart valves, allowing easy fabrication, fast implantation, and minimal crimped footprint from a transcatheter delivery perspective. This minimalistic design is also well-suited for the self-assembly method, which has already proven its potential for small diameter vascular grafts. A total of 11 tubular constructs were produced by rolling self-assembled human fibroblastic sheets on solid mandrels. After maturation, the tissues were transferred onto smaller diameter mandrels to allow their free contraction. The characterization of two control tubes revealed that while preventing further contraction in the bioreactor, this precontraction phase was also beneficial for the tissue properties. The final prototypes could withstand a physiological pulmonary flow. This new method shows that the self-assembly process could be used to achieve functional tubular heart valves.

Le gène RNF213 a été identifié comme un facteur de risque associé au développement de maladies cérébrovasculaires (MCV) notamment, la maladie de Moyamoya (MMM) et les anévrismes intracrâniens (AIC). Malgré une incompréhension des fonctions biologiques exactes, la ring finger protein 213 (RNF213) serait impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire, de l’angiogenèse et de l’inflammation. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur le développement de modèles vasculaires in vitro afin de mieux caractériser le rôle de RNF213 dans MCV. L’hypothèse est que l’invalidation de la protéine RNF213 dans des cellules endothéliales (CE) cerébrales pourrait recréer certains phénotypes associés au développement de la MMM et à la formation d’AIC. Des cellules endothéliales microvasculaires humaines de cerveau (hCMEC/D3) invalide en RNF213 (RNF213-/- ) ont été initialement générées par la méthode Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats et la protéine associée Cas9 (CRISPR-Cas9) double nickase. La première partie des travaux porte sur le rôle que jouerait RNF213 dans l’homéostasie de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et dans les étapes précoces de la pathogenèse associée à la MMM. Plus précisément, la perte des jonctions adhérentes provoquée par l’invalidation de RNF213 dans les hCMEC/D3 a été évaluée in vitro sur plusieurs paramètres, tels que la morphologie endothéliale, l’expression génique des protéines de jonctions, la localisation cellulaire, la perméabilité, l’infiltration immunitaire et le sécrétome des cytokines inflammatoires. Les résultats ont démontré que la déficience en RNF213 provoque une diminution de l’expression de la platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) qui affecte conséquemment la formation adéquate du complexe jonctionnel. De plus, une diminution de l’expression des gènes de la claudine-5, de la b-caténine et de la plakoglobine a été mesurée. La perte de RNF213 est également accompagnée d’un relargage de plusieurs cytokines proinflammatoires. En deuxième lieu, les travaux de cette thèse ont également démontré que RNF213 joue un rôle prépondérant dans le processus angiogénique des hCMEC/D3. Ceci a été étudié sous plusieurs angles d’approches, tels que la prolifération et la migration cellulaire, la formation de micro-capillaires sur un support Matrigel® et dans un modèle tridimensionnel (3D) reconstruit par génie tissulaire, l’expression génique et le sécrétome angiogénique. Les résultats ont démontré une diminution du taux de division cellulaire et une augmentation de la migration. Les études in vitro ont démontré également, pour la première fois, une augmentation significative de la formation de micro-capillaires et de la sécrétion abondante de facteurs pro-angiogénique, tels que le vascular endothelial growth factor (VEGF). Plus précisément, les hCMEC/D3 déficientes en RNF213 forment un réseau plus vaste, dense et étendu de micro-capillaires sur un support de Matrigel®. iii Lorsqu’ensemencées dans un modèle 3D plus complexe structurellement, les hCMEC/D3 forment un réseau pouvant s’apparenter au réseau de capillaires compensatoire retrouvé chez les patients MMM. Dans l’ensemble, l’invalidation du gène RNF213 dans un modèle in vitro 3D de cellules endothéliales cérébrales permet de reproduire certains phénotypes pathologiques de la MMM et devient donc ainsi le 1er modèle in vitro pour l’étude de cette maladie et des autres maladies associées à RNF213. Finalement, nous avons mis au point un nouveau modèle de vaisseaux sanguins de petit calibre reconstruit par génie tissulaire (TEBV) pour son utilisation dans l’étude in vitro de maladies vasculaires et de MCV complexes. L’ensemencement de fibroblastes ou de cellules musculaires lisses (CML) directement sur un mandrin de polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) prétraité aux rayons ultraviolets C (UV-C) a permis de former des feuillets circulaires, manipulables et superposables. Avec cette technique, nous avons généré des TEBV complets avec les trois principales couches, soit l’adventitia, la media et l’intima tunica, qui possèdent des propriétés histologiques et mécaniques similaires aux artères humaines natives. Ce modèle optimisé et uniformisé de TEBV permettra de modéliser des pathologies vasculaires complexes, telles que la MMM et les AIC. En effet, la génération de vaisseaux complets à partir de cellules pathologiques ou de cellules éditées génétiquement pourrait faciliter la caractérisation de la pathogenèse et aider au développement de médicaments. / RNF213 has been associated as a susceptibility gene for the development cerebrovascular diseases (CVDs), in particular, moyamoya disease (MMD) and intracranial aneurysms (ICA). While the exact biological functions of RNF213 remain to be demonstrated, it is known to be involved in the regulation of cell proliferation, angiogenesis and inflammation. The work presented in this thesis focuses on the development of vascular models in vitro to better characterize the role of RNF213 in CVDs. The hypothesis is that the complete invalidation of the RNF213 protein in brain endothelial cells (EC) could recreate evident phenotypes associated with the development of MMD and the formation of ICA. We have initially generated human brain microvascular endothelial cells (hCMEC/D3) deficient in RNF213 (RNF213-/- ) using the robust CRISPR-Cas9 double nickase method. At first, our work described the role that RNF213 would play in the homeostasis of the blood-brain barrier (BBB) maintenance and in the early stages of MMD pathogenesis. More specifically, the loss of adherent junctions caused by the invalidation of RNF213 in hCMEC/D3 was evaluated in vitro on several parameters, such as endothelial morphology, gene expression of junctional proteins, cellular localization, permeability, immune infiltration and the secretome of inflammatory cytokines. Our data demonstrated that RNF213 deficiency provokes a significant decrease in the platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) expression, which consequently affects the proper formation of the junctional complex. A decrease in the expression of the claudin-5, b-catenin and plakoglobin genes was also measured. In addition, RNF213 loss is accompanied with a release of several pro-inflammatory cytokines. Thereafter, the present work also demonstrated that RNF213 plays a preponderant role in the angiogenic process of hCMEC/D3. Angiogenesis has also been characterized on several aspects, such as proliferation, migration, formation of micro-capillaries on a Matrigel®-based support and in a 3D model reconstructed by tissue engineering, gene expression and secretion of angiogenic factors. Our data demonstrates a decrease in cell division rate and an increase in cell migration. In vitro studies have also shown, for the first time, a significant increase in micro-capillary formation and abundant secretion of pro-angiogenic factors, such as the vascular endothelial growth factor (VEGF). More precisely, the hCMEC/D3 deficient in RNF213 forms a wider, denser and more extensive network of micro-capillaries on a Matrigel®-based support. When seeded in a more structurally complex 3D model, hCMEC/D3 form a network that can resemble to the compensatory capillary network found in MMM patients. Overall, the invalidation of the RNF213 gene in a 3D in vitro model of cerebral endothelial cells makes it possible to reproduce certain pathological phenotypes of MMM and v therefore becomes the 1st in vitro model for the study of this disease and other diseases associated with RNF213. Finally, we developed a new model of small-caliber blood vessels reconstructed by tissue engineering (TEBV) to be used to study vascular diseases and complex CVD in vitro. The direct seeding of fibroblasts or smooth muscle cells (CML) onto a polyethylene terephthalate glycol (PETG) mandrel that was pretreated with ultraviolet C (UV-C) radiation facilitate the formation of circular cell sheets, which could be manipulated and stacked in top of each other. Using this novel technique, we were able to successfully generate complete TEBVs with the three main arterial layers: the adventitia, the media and the intima tunica. Taken together, our TEBV model has histological and mechanical properties similar to native human arteries. Furthermore, this optimized and standardized 3D vascular construct will accelerate the scientific progress to modelized complex vascular pathologies, such as MMD and AIC. Indeed, the generation of complete vessels derived from pathological cells or genetically edited cells could facilitate the characterization of pathogenesis and help in the development of drugs.

Le présent mémoire comportait deux buts expérimentaux principaux. Tout d'abord, nous avons fait l'étude in vivo du remodelage à long terme du réseau microvasculaire de la peau reconstruite endothélialisée suite à sa transplantation chez la souris. La peau reconstruite endothélialisée est un biopolymère tridimensionnel constitué en majeur partie de collagène bovin sur lequel nous cultivons des fibroblastes, des kératinocytes et des cellules endothéliales d'origine humaine afin de développer un modèle expérimental comportant des caractéristiques similaires à celles présentées par la peau normale humaine. Nous avons observé une diminution progressive de la quantité de tabules d'origine humaine au sein du greffon au profit de capillaires murins qui ont envahi ce dernier et lui ont permis de s'intégrer au sein des tissus hôtes. Ces résultats montrent que notre peau reconstruite est vascularisée par les vaisseaux hôtes et que cette dernière pourrait donc éventuellement être utilisée à des fins thérapeutiques afin de recouvrir des plaies présentant une perte tissulaire importante. Le deuxième but visé était de développer à partir de notre PRL un modèle de culture de cellules malignes mélanocytaires. Des cellules tumorales provenant de lésions primaires et de sites métastatiques ont été cultivées sur les PRL pendant un total de 31 jours. Ces dernières ont bien proliféré au sein du biopolymère et la quantité ensemencée a influencé la densité de capillaires retrouvée au sein du modèle in vitro. Ces résultats nous indiquent que notre PRL pourrait devenir un bon modèle expérimental nous permettant d'étudier la physiopathologie cancéreuse ainsi que les interactions existant entre les cellules tumorales et le réseau micro-vasculaire de leur environnement.

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Le cancer de la prostate est le type de cancer le plus fréquent chez l’homme. On estime qu’un homme sur six vivant jusqu’à quatre-vingts ans en recevra le diagnostic. En 1994, le Centre hospitalier universitaire de Québec (CHUQ) est devenu le premier établissement de santé au Canada à utiliser la curiethérapie par implants permanents pour soigner le cancer de la prostate. Depuis, des milliers de personnes ont bénéficié de ce traitement peu invasif et très efficace. Au cours de la curiethérapie, qui est une intervention d’une à deux heures effectuée sous anesthésie générale, le radio-oncologue utilise des aiguilles pour placer une matière radioactive sous la forme de petits grains directement dans le tissu cancéreux. Les grains, de la grosseur d’un grain de riz, émettent des radiations qui détruisent les cellules à l’endroit visé pendant environ six mois après l’opération. Ils restent ensuite en place de façon permanente, mais sont inoffensifs. Or, ce type d’opération n’est pas une tâche facile pour le radio-oncologue. De surcroît, les spécialistes qui aspirent à pouvoir donner ce genre de traitement, bien que très formés et encadrés, ne peuvent finalement que s’entrainer sur des sujets humains pour acquérir de l’expérience, une pratique potentiellement discutable sur le plan éthique. C’est pourquoi nous proposons la mise sur pied d’un environnement de réalité virtuelle pour l’entraînement à la curiethérapie de la prostate qui aurait, pour les nouveaux médecins, un rôle similaire à celui des simulateurs de vol pour les pilotes d’avion. Dans ce mémoire, nous présentons différents algorithmes qui permettent de générer un modèle réaliste de prostate et de son environnement avoisinant, de simuler la physique de ces tissus mous biologiques et des aiguilles flexibles utilisées, ainsi que l’interaction entre ces derniers. Ces algorithmes permettent une vue tridimensionnelle de l’opération, à laquelle nous ajoutons une extension qui permet de visualiser l’opération sous la forme d’images par échographie ultrasonique. L’intégration de tous ces modules avec un module haptique pouvant simuler les retours d’efforts lors de l’insertion d’aiguilles (développé par des collègues en génie mécanique), forme l’environnement virtuel proposé. / Prostate cancer is the most common type of cancer in men. It is estimated that one in six men living up to eighty years will receive the diagnosis. In 1994, the Centre hospitalier universitaire de Québec (CHUQ) became the first healthcare facility in Canada to use permanent implants brachytherapy to treat prostate cancer. Since then, thousands of people benefited from this minimally invasive and very effective treatment. During brachytherapy, a procedure of one to two hours performed under general anesthesia, the radiation oncologist uses needles to place radioactive matter in the form of small seeds directly into the cancerous tissue. The seeds, about the size of a grain of rice, emit radiation that destroy cells in the target area for about six months after the operation. They then remain in place permanently, but are harmless for the person. However, the procedure is not an easy task for the radiation oncologist. In particular, specialists who aspire to give this kind of treatment, although very well trained and supervised, can only be trained using human subjects to gain experience, a practice that may raise ethical issues. We therefore propose the establishment of a virtual reality environment for training in prostate brachytherapy which would have, for new doctors, a role similar to flight simulators for aircraft pilots. In this thesis, we present different algorithms to generate a realistic model of the prostate and its surrounding environment, the simulation of the physics of organic soft tissue and of flexible needles, as well as the interaction between them. These algorithms allow a three-dimensional view of the operation, to which we add an extension that allows the user to view the operation as images by ultrasonography. The integration of all these modules with a module that can simulate haptic feedback when inserting needles (developed by our collegues in mecanical engineering) forms the proposed virtual environment.